光致熱催化技術融合光催化與熱催化優(yōu)勢，在能源轉(zhuǎn)化與污染物降解領域展現(xiàn)出巨大潛力，為碳中和目標的實現(xiàn)提供了雙重路徑。本文詳細闡述了該技術的基本原理，包括光生載流子激發(fā)、熱效應促進反應等機制。在能源轉(zhuǎn)化方面，介紹了其在太陽能制氫、二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料以及甲烷高值化利用等過程中的應用進展。在污染物降解領域，探討了對揮發(fā)性有機化合物（VOCs）和其他環(huán)境污染物的去除效果與機制。同時，分析了當前光致熱催化技術面臨的挑戰(zhàn)，如催化劑穩(wěn)定性、效率提升等問題，并對未來發(fā)展方向進行了展望，強調(diào)了該技術在推動碳中和進程中的重要意義。

一、引言

      隨著全球氣候變化的加劇，實現(xiàn)碳中和已成為世界各國共同追求的目標。在眾多應對氣候變化的策略中，發(fā)展高效的能源轉(zhuǎn)化技術以減少對化石能源的依賴，以及有效降解環(huán)境污染物，成為實現(xiàn)碳中和的關鍵環(huán)節(jié)。光致熱催化技術作為一種新興的催化技術，通過巧妙地將光催化與熱催化相結合，不僅能夠利用太陽能驅(qū)動化學反應，還能借助熱效應提升反應效率，為能源轉(zhuǎn)化與污染物降解提供了創(chuàng)新的解決方案。該技術在溫和條件下實現(xiàn)高值化學品和新能源的綠色低碳生產(chǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，有望在碳中和進程中發(fā)揮重要作用。

二、光致熱催化技術的基本原理

（1）光催化原理

      光催化過程基于半導體材料的特性。當半導體吸收能量大于其帶隙能的光子時，價帶中的電子被激發(fā)躍遷到導帶，從而在價帶留下空穴，形成光生電子 - 空穴對。這些光生載流子具有較強的氧化還原能力，能夠遷移到催化劑表面，與吸附在表面的反應物分子發(fā)生氧化還原反應。例如，在光催化水分解制氫過程中，光生空穴可以氧化水生成氧氣，而光生電子則還原質(zhì)子生成氫氣。然而，在實際應用中，光生載流子容易發(fā)生復合，導致光催化效率受限。

（2）熱催化原理

      熱催化反應依賴于熱能提供反應物分子克服反應能壘所需的能量。在高溫條件下，反應物分子的熱運動加劇，分子間的碰撞頻率增加，使得反應更容易發(fā)生。熱催化通常需要較高的溫度來保證足夠的反應速率，但高溫往往伴隨著高能耗和設備要求的提升，同時也可能導致副反應的發(fā)生。

（3）光致熱催化的協(xié)同機制

      光致熱催化技術巧妙地將光催化與熱催化的優(yōu)勢結合起來。一方面，光催化產(chǎn)生的光生載流子可以參與反應，實現(xiàn)對反應物分子的精準激發(fā)和活化；另一方面，光吸收過程中產(chǎn)生的熱效應，即聲子的作用，能夠優(yōu)化反應路徑，促進反應物分子的吸附和脫附，降低反應能壘，提高反應速率。例如，在某些光致熱催化體系中，光激發(fā)產(chǎn)生的熱可以使催化劑表面的局部溫度升高，增強反應物分子在催化劑表面的吸附強度，同時加速反應中間體的轉(zhuǎn)化，從而提升整體反應效率。這種光子 - 聲子協(xié)同催化的機制，打破了傳統(tǒng)光催化和熱催化的局限，為實現(xiàn)溫和條件下的高效催化反應提供了可能。

三、光致熱催化在能源轉(zhuǎn)化中的應用

（1）太陽能制氫

      氫氣作為一種清潔高效的能源載體，被視為未來能源體系的重要組成部分。光致熱催化太陽能制氫技術具有顯著優(yōu)勢。例如，通過設計合適的光熱催化劑，如負載型金屬催化劑與半導體材料的復合體系，在光照下，半導體材料吸收光能產(chǎn)生光生載流子，同時光熱效應使催化劑表面溫度升高。這種協(xié)同作用能夠促進水的分解反應，提高氫氣的產(chǎn)率。一些研究報道，在特定的光致熱催化體系中，在較低的光照強度下就能實現(xiàn)較高的氫氣生成速率，且相較于單一的光催化或熱催化制氫，量子效率得到了顯著提升。這為大規(guī)模、低成本的太陽能制氫提供了新的途徑，有助于推動氫能經(jīng)濟的發(fā)展，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，從而助力碳中和目標的實現(xiàn)。

（2）二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料

      將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可利用的燃料，是實現(xiàn)碳循環(huán)和緩解溫室效應的重要策略。光致熱催化技術在這一領域展現(xiàn)出巨大潛力。利用太陽能驅(qū)動二氧化碳加氫反應，在光致熱催化劑的作用下，二氧化碳可以被還原為一氧化碳、甲烷、甲醇等燃料。例如，某些過渡金屬氧化物負載的催化劑，在光照和一定溫度條件下，能夠有效地活化二氧化碳和氫氣分子，促進二者之間的反應。通過調(diào)控光熱條件和催化劑的組成結構，可以實現(xiàn)對產(chǎn)物選擇性的控制。與傳統(tǒng)熱催化二氧化碳轉(zhuǎn)化相比，光致熱催化能夠在相對溫和的條件下進行反應，減少了能耗，同時利用太陽能作為能源輸入，降低了碳排放，為二氧化碳的資源化利用提供了綠色、可持續(xù)的解決方案。

（3）甲烷的高值化利用

      甲烷是天然氣的主要成分，也是一種重要的溫室氣體。實現(xiàn)甲烷的高值化利用對于能源開發(fā)和環(huán)境保護具有雙重意義。光致熱催化為甲烷的轉(zhuǎn)化提供了新的途徑。傳統(tǒng)熱催化中甲烷轉(zhuǎn)化通常需要高溫條件，能耗高且選擇性有限。而在光致熱催化體系中，通過光能和熱能的協(xié)同作用，可以在相對較低的溫度下實現(xiàn)甲烷的活化和轉(zhuǎn)化。例如，利用特定的催化劑，如負載型金催化劑或單原子催化劑，在光照下能夠?qū)⒓淄楦咝а趸癁橐彝?、甲醛、乙醇等高附加值化學品。這種技術不僅降低了甲烷轉(zhuǎn)化的能耗，還提高了產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率，為天然氣資源的高效利用提供了新思路，有助于減少甲烷的直接排放，同時創(chuàng)造經(jīng)濟價值。

四、光致熱催化在污染物降解中的應用

（1）揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的降解

      揮發(fā)性有機化合物是一類常見的空氣污染物，具有高毒性和致癌性，且在光照下與氮氧化物反應易形成光化學煙霧，嚴重危害環(huán)境和人類健康。光致熱催化技術為 VOCs 的降解提供了有效的解決方案?；趥鹘y(tǒng)的熱催化劑，如 Pt - TiO?等，通過引入具有寬光譜吸收性質(zhì)和優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的材料，如石墨烯，構建復合催化劑體系，如 Pt - rGO - TiO?。在光照下，石墨烯能夠廣譜俘獲太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使催化劑表面溫度升高，同時石墨烯與甲苯等 VOCs 反應物分子之間強烈的 π - π 作用，增加了反應物分子在催化劑上的停留時間。這種光熱協(xié)同效應使得 VOCs 在相對較低的溫度下就能被高效催化氧化為二氧化碳和水等無害物質(zhì)。研究表明，在無聚光條件下，該類催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)較高的光熱轉(zhuǎn)換效率以及 VOCs 的高效無害化轉(zhuǎn)化，為解決大氣污染問題提供了新的技術手段。

（2）其他環(huán)境污染物的處理

      除了 VOCs，光致熱催化技術還在其他環(huán)境污染物的處理方面展現(xiàn)出應用潛力。例如，對于一些難降解的有機廢水污染物，通過設計合適的光致熱催化劑，可以利用太陽能驅(qū)動催化反應，實現(xiàn)對有機污染物的降解礦化。在處理某些含重金屬離子的廢水時，光致熱催化過程中產(chǎn)生的光生載流子和熱效應能夠促進重金屬離子的還原沉淀，從而達到去除重金屬污染物的目的。此外，在土壤污染修復領域，光致熱催化技術也有望通過降解土壤中的有機污染物，改善土壤質(zhì)量，恢復土壤生態(tài)功能。

五、當前面臨的挑戰(zhàn)

（1）催化劑的穩(wěn)定性問題

      盡管光致熱催化技術在能源轉(zhuǎn)化和污染物降解方面取得了一定進展，但催化劑的穩(wěn)定性仍然是一個關鍵挑戰(zhàn)。在光熱協(xié)同作用下，催化劑可能會面臨高溫、光照以及反應物和產(chǎn)物的化學侵蝕等多種因素的影響，導致催化劑的活性組分流失、結構發(fā)生變化，從而使催化性能逐漸下降。例如，在一些高溫光致熱催化反應中，負載型金屬催化劑的金屬顆粒可能會發(fā)生團聚，降低了活性位點的數(shù)量；而在含有腐蝕性氣體的污染物降解反應中，催化劑的表面可能會被腐蝕，影響其催化活性和穩(wěn)定性。因此，開發(fā)具有高穩(wěn)定性的光致熱催化劑是實現(xiàn)該技術工業(yè)化應用的關鍵之一。

（2）光熱轉(zhuǎn)化效率有待提高

      目前光致熱催化體系的光熱轉(zhuǎn)化效率還不能滿足實際應用的需求。雖然通過材料設計和結構優(yōu)化，已經(jīng)取得了一些進展，但大部分光致熱催化劑對太陽能的利用效率仍然較低。一方面，部分光催化劑只能吸收特定波長范圍的光，無法充分利用太陽能的全光譜能量；另一方面，在光熱轉(zhuǎn)化過程中，存在能量損失的問題，如光生載流子的復合、熱能的散失等，導致最終用于驅(qū)動化學反應的能量有限。提高光熱轉(zhuǎn)化效率，需要進一步深入研究光與物質(zhì)的相互作用機制，開發(fā)新型的光熱材料，優(yōu)化催化劑的結構和組成，以實現(xiàn)對太陽能的高效捕獲和轉(zhuǎn)化。

（3）反應機理研究尚不完善

      雖然光致熱催化的協(xié)同機制已被提出，但對于許多具體的反應體系，其詳細的反應機理仍然不明確。例如，在光致熱催化二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料的過程中，反應物分子在催化劑表面的吸附、活化以及反應中間體的形成和轉(zhuǎn)化路徑等，尚未清楚。反應機理研究的不完善，限制了對催化劑的理性設計和優(yōu)化。為了進一步提升光致熱催化技術的性能，需要借助先進的表征技術，如原位光譜技術、高分辨顯微鏡技術等，深入研究反應過程中的微觀變化，明確反應機理，為催化劑的開發(fā)和反應條件的優(yōu)化提供理論指導。

六、未來發(fā)展方向

（1）新型光熱材料的開發(fā)

      未來需要加大對新型光熱材料的研發(fā)力度。一方面，探索具有更寬光譜吸收范圍、更高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料，如新型半導體材料、納米復合材料等，以充分利用太陽能的全光譜能量。例如，通過設計合成具有特殊能帶結構的半導體，使其能夠吸收紅外光等低能量光子，拓寬光響應范圍。另一方面，開發(fā)具有高穩(wěn)定性和抗腐蝕性的材料，以解決催化劑在實際應用中的穩(wěn)定性問題。例如，采用表面修飾、封裝等技術手段，提高催化劑對惡劣環(huán)境的耐受性。此外，還可以借鑒生物光合作用的原理，開發(fā)仿生光熱材料，進一步提高光熱轉(zhuǎn)化效率和反應選擇性。

（2）多學科交叉融合促進技術發(fā)展

      光致熱催化技術的發(fā)展需要多學科的交叉融合?；瘜W、材料科學、物理學、工程學等學科的協(xié)同合作至關重要。例如，化學領域可以深入研究反應機理，開發(fā)新的催化反應體系；材料科學專注于設計和制備高性能的光熱催化劑材料；物理學則為理解光與物質(zhì)的相互作用、熱傳導等過程提供理論支持；工程學負責將實驗室成果轉(zhuǎn)化為實際的工業(yè)應用，優(yōu)化反應器設計和工藝流程。通過多學科的深度融合，能夠從不同角度解決光致熱催化技術面臨的問題，推動該技術的快速發(fā)展和廣泛應用。

（3）拓展應用領域與規(guī)?；瘧?/p>

      在未來，光致熱催化技術有望拓展到更多的應用領域。除了能源轉(zhuǎn)化和污染物降解，還可以探索其在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用、海水淡化、資源回收等領域的應用潛力。例如，利用光致熱催化技術將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料，實現(xiàn)生物質(zhì)資源的高效利用；在海水淡化過程中，通過光熱效應提高海水蒸發(fā)效率，降低能耗。同時，為了實現(xiàn)光致熱催化技術的規(guī)模化應用，需要開展技術經(jīng)濟分析和生命周期評估，優(yōu)化工藝參數(shù)，降低成本，提高技術的可行性和經(jīng)濟性。建立示范工程，驗證技術在實際大規(guī)模應用中的性能和穩(wěn)定性，為其推廣應用提供實踐經(jīng)驗。

七、結論

      光致熱催化技術作為一種具有創(chuàng)新性的催化技術，在能源轉(zhuǎn)化和污染物降解方面展現(xiàn)出巨大的潛力，為實現(xiàn)碳中和目標提供了重要的雙重路徑。通過巧妙地融合光催化與熱催化的優(yōu)勢，該技術能夠在溫和條件下實現(xiàn)高效的化學反應，減少能耗和碳排放。然而，目前該技術仍面臨著催化劑穩(wěn)定性、光熱轉(zhuǎn)化效率以及反應機理等方面的挑戰(zhàn)。未來，通過新型光熱材料的開發(fā)、多學科交叉融合以及拓展應用領域與規(guī)模化應用等策略，有望進一步提升光致熱催化技術的性能，解決實際應用中的問題，使其在推動全球能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護，助力碳中和目標的實現(xiàn)中發(fā)揮更大的作用。

產(chǎn)品展示

      將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并將其轉(zhuǎn)化為化學能的催化反應，光熱催化反應。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換路徑以及熱能和電子激發(fā)起到催化反應作用程度的不同，將光熱催化分類為光輔助熱催化，熱輔助光催化以及光熱協(xié)同催化。

SSC-PTCR光致熱催化反應系統(tǒng)，實現(xiàn)了雙光源照射，提高了光致熱的能量輸出，加快光催化實驗的進度，可以實時監(jiān)測催化劑溫度；配套的質(zhì)量流量PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各種反應氣體的任意匹配，更有利于實驗的調(diào)整，配方的研發(fā)。

SSC-PTCR光致熱催化反應系統(tǒng)，配合控溫和磁力攪拌器，直接升級為釜式光熱催化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)一機多用，多種體系下評價催化劑的活性。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1)、自主研發(fā)控溫系統(tǒng)，杜絕溫度過沖；

2)、配置藍寶石晶體窗口，具有高強度、高硬度，耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕，透光性能好、電絕緣性能優(yōu)良；

3)、內(nèi)部磁力攪拌；

4)、內(nèi)含粉末催化劑放置平臺，氣體與催化劑充分接觸；

5)、釜體內(nèi)部即可實現(xiàn)氣固反應，也可以實現(xiàn)氣液反應；

6)、實現(xiàn)在高壓（<5MPa）高溫(<250℃)下的材料催化；

7)、法蘭雙線密封技術，解決密封泄漏問題；

8)、配置高質(zhì)量針型閥、三通球閥、壓力表，實現(xiàn)了靈活控制釜體壓力；

9)、配置安全卸荷閥，給實驗安全環(huán)境又添了一道安全；

10)、釜內(nèi)配置有報警，當出現(xiàn)超溫、超壓情況時，自動切斷加熱電源，讓操作更安全；

11)、反應釜還采用雙線槽柔性密封，良好的密封結構解決了攪拌存在的泄露問題，使整個介質(zhì)和攪拌部件處于密封的狀態(tài)中進行工作，因此更適合用于各種易燃易爆、貴重介質(zhì)及其它滲透力強的化學介質(zhì)進行攪拌反應。