2025年年12 月《工程热物理学报【贺徐建中院士85诞辰专刊】》刊发西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室郭烈锦院士团队论文《太阳能光热电耦合制氢：材料开发与系统集成》。
01摘 要
太阳能驱动水/海水分解制氢技术是实现碳中和目标的重要路径，然而单一光催化等技术路径受限于光谱利用不足、能量转化效率低及海水复杂组分干扰等问题，难以满足规模化制氢的应用需求。本文系统梳理了光催化、光热催化、光伏电解等太阳能制氢技术的基本原理及性能优化策略；从材料开发、器件设计、系统集成等层面分析了光热电耦合分解水/海水体系中宽光谱吸收、局域热场优化及器件一体化设计的协同作用机制；并探讨了海水制氢体系抗腐蚀催化材料设计、界面工程优化及反应路径调控等策略，对太阳能驱动海水制氢技术的未来发展趋势、技术挑战及应用前景进行了展望。
02图文导读
本文系统梳理了光催化、光热催化、光伏电解等太阳能制氢技术的基本原理、催化剂优化策略及海水体系适应性；继而从材料设计、器件集成、系统示范三个层面分析光热电耦合体系分解水/海水制氢中通过宽光谱吸收、局域热场优化及器件一体化设计实现效率突破的协同作用机制；并针对海水制氢体系的核心技术瓶颈，重点探讨抗腐蚀催化材料设计、界面工程优化及反应路径调控策略，解析竞争性析氯与盐沉积的愿原因与解决途径；最后，对太阳能驱动海水制氢技术的未来发展趋势、技术挑战及应用前景进行系统性展望。
0３总结与展望
太阳能光热电耦合分解水/海水制氢技术通过耦合光催化、光电转化、光热转换等过程，构建“全光谱利用–多能耦合–跨尺度转化” 的创新体系，为突破传统太阳能制氢技术的效率瓶颈与资源限制提供了全新路径。当前研究已在反应界面调控、能量级联优化、系统集成创新等方面取得阶段性进展，显著提升了复杂环境下的催化选择性、材料稳定性与能量转化效率。然而，该技术的实际应用仍面临多场耦合动力学机制不明、极端环境下运行调控不足、规模化成本下调等核心挑战，亟需从基础理论、材料创新、系统集成等维度进一步开展跨学科攻关。
未来研究可聚焦以下方向：
1) 跨尺度多物理场耦合理论构建需建立涵盖光吸收、热输运、电荷转移及电化学反应的跨尺度理论模型，揭示纳米催化界面(如活性位点电子结构)、器件级能量流(如热电模块效率极限) 与系统级动态响应的耦合机制。结合密度泛函理论模拟与机器学习算法，实现从材料原子尺度设计到系统宏观性能预测的定量关联，突破经验性研究范式，为技术优化提供普适性理论支撑。
2) 高性能集成材料的开发与制备开发兼具全光谱响应、高催化活性及环境耐受性的多功能材料是核心目标。可通过原子层沉积、界面工程等技术构建高熵材料、核壳/异质结结构，协同优化光捕获能力、电荷分离效率及表面抗侵蚀特性；同时探索地球丰富元素基催化剂(如过渡金属磷化物/氮化物)，降低对贵金属的依赖，提升材料体系的经济性与可持续性。
3) 智能调控系统与动态适配海水环境对制氢系统挑战显著，近海盐度波动易导致催化剂腐蚀，深海高压易引发效率衰减。针对光照波动、盐度变化等动态性，需集成光谱传感器、电化学工作站实时监测，结合模型预测算法优化光热聚焦角度与运行模式，实现能量精准匹配。同时研发抗污损膜(如聚乙二醇涂层等)、耐高压组件(如全氟弹性体等) 及柔性结构，通过“监测–调控–材料优化” 协同，提升系统在离岸、极端条件下的长期可靠性。
4) 规模化验证与全生命周期成本优化通过建设规模化示范平台，开展长期实地测试，量化盐沉积、温度梯度对系统性能的影响规律，形成标准化设计准则。在材料制备端，开发卷对卷纳米压印等高效工艺，大幅降低光热催化组件成本；在系统层面，耦合风能与波浪能发电及原位制氢技术，提升可再生能源综合利用率，结合全生命周期评估优化设计，推动制氢成本进一步降低。
作为实现“双碳” 目标的重要技术路径，太阳能光热电耦合制氢技术的发展需强化多学科深度交叉与产学研协同，突破“材料–器件–系统” 的多维度技术壁垒。随着基础理论深化、关键技术迭代及工程验证推进，该技术有望构建高效、经济、环境友好的绿色氢能生产体系，为全球可再生能源转化与利用提供战略解决方案，加速能源结构向低碳化、可持续化转型。
引用本文：
张晋杰, 关祥久, 丁雅妮, 项骏锋, 郭烈锦. 太阳能光热电耦合制氢：材料开发与系统集成[J]. 工程热物理学报, 2025, 46(12): 4096-4109
ZHANG Jinjie, GUAN Xiangjiu, DING Yani, XIANG Junfeng, GUO Liejin. Solar-driven Photo-Thermo-Electric Coupling for Hydrogen Production: Material Development and System Integration[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2025, 46(12): 4096-4109