化石能源的日益枯竭加速了各类太阳能转换系统的开发进程，作为光电化学能源系统的重要分支，光电化学阴极保护（Photocathodic Protection，PCP）系统通过捕获太阳能并将其转化为防腐电流，为金属结构提供了绿色可持续的电化学防护。然而，传统PCP系统由于光吸收效率低、光生电荷易复合、表面氧化反应性差等问题导致能源转换效率不足、保护效能低。

基于此背景，近日，中山大学的刘法谦教授、邢政副教授团队通过“解耦-优化-重组”思路将“光-电-化学”能源转换过程进行反应步骤拆解，拆解为“光能吸收”、“电荷分离”、“表面反应”三个核心反应步骤，诠释了PCP系统中从光子吸收与激子生成、电荷分离与传输、到电子注入被保护金属以及空穴消耗于表面氧化反应的载流子全生命周期行为。充分探讨了三大核心反应步骤的潜在优化策略，并总结了已报道的代表性工作研究进展。

然而，针对优化“表面反应”步骤的研究报道十分有限，并且由于PCP系统的核心反应全集中在单一光电转换单元（单个或多个半导体）上，导致难以同时对所有反应步骤进行优化。因此，该课题组提出“模块化设计”理念用于同步实现“增强光能吸收”、“促进电荷分离”、“改善表面反应”三大目标。

通过设置独立的功能模块以将PCP系统中所有核心反应步骤去中心化，即集成用于光子吸收与激子生成的光电转换模块（Photoelectric Conversion Module）、用于电荷分离与传输的电子传输模块（Electron Transport Module）和空穴传输模块（Hole Transport Module）、用于加速表面反应进程的空穴消耗模块（Hole Consumption Module），构筑一体式PCP器件，实现“光-电-化学”能源转换过程的一次性全面升级。此外，还强调了阳极反应和阴极金属保护之间的协同作用对整体能源效率提升的重要性，并充分讨论了潜在的高附加值阳极反应类型，以及未来功能模块的可升级空间以应对不同服役场景的需求，这为发展绿色、高效、可持续的光能驱动阴极金属保护新范式提供了重要理论支撑。

A Modular Design Concept for Photoelectrochemical Devices Toward Efficient Cathodic Metal Protection

Hui Xie, Weihua Li, Zheng Xing, Fa-Qian Liu

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202500161