二氧化碳的捕获与利用是应对气候变化、实现碳中和的重要手段。传统的直接空气捕获技术因能耗高、成本昂贵而限制了大规模应用。而作为自然碳汇的海洋，其溶解碳主要以碳酸氢根（HCO3-）形式存在，浓度约为420 ppm大气中CO2的140倍，为高效捕获和转化提供了丰富的原料来源。然而，海水中电化学活性较高的溶解CO2浓度极低，加之反应过程中扩散传质的限制，长期以来限制了海水中碳的直接转化能力。针对这一挑战，分子通量生成技术（molecular flux generation）提出了全新的思路，通过设计边界层剪切流场，强制驱动CO2分子从海水中以流动方式被实时产出并输送至催化表面，实现反应动力学和传质过程的高度耦合与优化。该技术不仅突破了CO2在静态溶液中即刻耗尽的瓶颈，更实现了光电催化系统中CO2选择性转化的显著提升。
这一新兴光电化学（PEC）系统利用双电极串联结构，采用BiVO4作为光阳极，硅（Si）作为光阴极，通过阳极在阳光照射下氧化水产生质子（H+），使热力学平衡移动，从而促使碳酸氢根离子发生酸化反应迅速生成CO2(aq)，并通过设计的流场将生成的CO2及时输送至阴极。阴极表面覆盖Ag-Au/CrOx共催化剂，促进CO2还原为一氧化碳（CO）等碳基燃料。该模式成功实现了无须连续CO2气体吹扫的高效反应，极大解决了流体动力学制约下的反应效率低和催化选择性差的问题，推升了太阳能转燃料效率。 研究表明，当海水在阳极和阴极之间流速增加时，CO的法拉第效率从3%大幅提升至21%，几乎达到理论极限（约30%）。此举不仅彰显了分子通量催化模式在保证CO2供应方面的有效性，同时避免了传统气态注入带来的能源浪费和碳损失。更重要的是，该PEC流动反应器利用模拟海水验证了流场设计的实用性和稳定性，BiVO4阳极通过覆盖NiFe(OH)x和CrOx催化层，有效防止氯离子腐蚀，提高了海水氧化反应的稳定性，保证了质子连续产出和CO2的持续生成。
系统中pH水平的调控同样是优化传质与反应的关键。通过扫描共聚焦荧光显微镜技术，研究人员绘制了照片电极表面浓厚的酸性边界层分布图，显示流速对pH梯度起到显著压缩作用，限制了高pH区向催化面扩散的趋势，减少了CO2(aq)被OH-消耗的问题，保证了反应环境的局部酸性，有利于CO2分子的稳定存在及还原反应展开。同时，模拟计算及COMSOL多物理场耦合仿真量化了CO2分子从阳极产生并以流动形式迅速输送至阴极表面的物理化学过程，支持实验上观察到的效率和选择性提升。耦合模型显示，当流速达到0.77 m/s，CO2(aq)通量最大，阴极面CO2覆盖率提升，从而提高了催化反应速率。 实验平台通过3D打印制造的漩涡流体反应器，实现了光电催化对海水中溶解碳的连续高效捕获与转化，具备模块化、可扩展的可能性。该反应器设有平行排列的BiVO4光阳极和Si光阴极单元，保证入射光的最大利用效率和流动场均匀性。
反应器的独特设计赋予系统适应自然海洋环境流动的潜力，未来可通过海洋洋流或潮汐能驱动流体流动，进一步减少设备的能耗。 此外，该分子通量流动催化器的设计理念不仅适用于CO2还原反应，也具备推广到其他光电催化体系的前景，例如水分解制氢、过氧化氢选择性合成及甲烷氧化等，其中关键的质子传输和氧化还原过程亦可通过合理的流体动力学控制得到优化。 尽管目前BiVO4/Si体系实现了0.71%的太阳能转燃料效率，这一数据已是基于BiVO4设计中表现优异的代表，但考虑到低浓度CO2物料流的复杂性，仍有很大的提升空间。未来可结合带隙更窄、载流子寿命更长的新型光电材料，与更精准的流场设计协同提高光吸收与电子转移效率，同时通过纳米结构和催化剂改性，增强CO2分子的吸附及活化能力。通过多通道光伏波束设计、多反应器串联循环利用，理论上可实现高达70%CO选择性和90%碳基产物选择性，满足甲醇、乙烯等液体燃料的合成需求。 这种创新的碳转化路径为应对全球碳排放挑战提供了系统性解决方案。
海洋广袤的二氧化碳资源经过流体动力学优化的光电催化系统转化为合成燃料，兼具环境保护与能源生产双重功能。结合膜分离技术和碳氢化反应流程，可实现CO和H2合成气的高效制备及下游燃料合成，为塑造绿色能源未来开辟新渠道。 总结来说，分子通量生成技术和边界层流动工程不仅解决了长期困扰PEC系统的传质瓶颈，更推动了海水中稀释碳的高效实时转化。通过创新反应器设计、先进材料协同与多物理场建模，促进了CO2捕获与利用技术从实验室走向实用化，实现了太阳能驱动、零碳足迹的绿色燃料制造。这一技术路线对打造海洋浮动式能源装置，促进碳循环利用及实现碳中和目标具备深远意义，并为未来新能源与环境技术交叉研究提供了强有力的示范和基础。
