光致熱催化技術(shù)融合光催化與熱催化優(yōu)勢(shì)，在能源轉(zhuǎn)化與污染物降解領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，為碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了雙重路徑。本文詳細(xì)闡述了該技術(shù)的基本原理，包括光生載流子激發(fā)、熱效應(yīng)促進(jìn)反應(yīng)等機(jī)制。在能源轉(zhuǎn)化方面，介紹了其在太陽(yáng)能制氫、二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料以及甲烷高值化利用等過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)展。在污染物降解領(lǐng)域，探討了對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和其他環(huán)境污染物的去除效果與機(jī)制。同時(shí)，分析了當(dāng)前光致熱催化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，如催化劑穩(wěn)定性、效率提升等問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，強(qiáng)調(diào)了該技術(shù)在推動(dòng)碳中和進(jìn)程中的重要意義。

一、引言

      隨著全球氣候變化的加劇，實(shí)現(xiàn)碳中和已成為世界各國(guó)共同追求的目標(biāo)。在眾多應(yīng)對(duì)氣候變化的策略中，發(fā)展高效的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)以減少對(duì)化石能源的依賴(lài)，以及有效降解環(huán)境污染物，成為實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光致熱催化技術(shù)作為一種新興的催化技術(shù)，通過(guò)巧妙地將光催化與熱催化相結(jié)合，不僅能夠利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，還能借助熱效應(yīng)提升反應(yīng)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(shù)在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高值化學(xué)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(jìn)程中發(fā)揮重要作用。

二、光致熱催化技術(shù)的基本原理

（1）光催化原理

      光催化過(guò)程基于半導(dǎo)體材料的特性。當(dāng)半導(dǎo)體吸收能量大于其帶隙能的光子時(shí)，價(jià)帶中的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶留下空穴，形成光生電子 - 空穴對(duì)。這些光生載流子具有較強(qiáng)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(yīng)物分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。例如，在光催化水分解制氫過(guò)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(shí)際應(yīng)用中，光生載流子容易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致光催化效率受限。

（2）熱催化原理

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

（3）光致熱催化的協(xié)同機(jī)制

      光致熱催化技術(shù)巧妙地將光催化與熱催化的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)。一方面，光催化產(chǎn)生的光生載流子可以參與反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)物分子的精準(zhǔn)激發(fā)和活化；另一方面，光吸收過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)，即聲子的作用，能夠優(yōu)化反應(yīng)路徑，促進(jìn)反應(yīng)物分子的吸附和脫附，降低反應(yīng)能壘，提高反應(yīng)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(qiáng)反應(yīng)物分子在催化劑表面的吸附強(qiáng)度，同時(shí)加速反應(yīng)中間體的轉(zhuǎn)化，從而提升整體反應(yīng)效率。這種光子 - 聲子協(xié)同催化的機(jī)制，打破了傳統(tǒng)光催化和熱催化的局限，為實(shí)現(xiàn)溫和條件下的高效催化反應(yīng)提供了可能。

三、光致熱催化在能源轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

（1）太陽(yáng)能制氫

      氫氣作為一種清潔高效的能源載體，被視為未來(lái)能源體系的重要組成部分。光致熱催化太陽(yáng)能制氫技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的光熱催化劑，如負(fù)載型金屬催化劑與半導(dǎo)體材料的復(fù)合體系，在光照下，半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生光生載流子，同時(shí)光熱效應(yīng)使催化劑表面溫度升高。這種協(xié)同作用能夠促進(jìn)水的分解反應(yīng)，提高氫氣的產(chǎn)率。一些研究報(bào)道，在特定的光致熱催化體系中，在較低的光照強(qiáng)度下就能實(shí)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(yáng)能制氫提供了新的途徑，有助于推動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài)，從而助力碳中和目標(biāo)的實(shí)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(shí)現(xiàn)碳循環(huán)和緩解溫室效應(yīng)的重要策略。光致熱催化技術(shù)在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)二氧化碳加氫反應(yīng)，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(guò)渡金屬氧化物負(fù)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(jìn)二者之間的反應(yīng)。通過(guò)調(diào)控光熱條件和催化劑的組成結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)溫和的條件下進(jìn)行反應(yīng)，減少了能耗，同時(shí)利用太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)甲烷的高值化利用對(duì)于能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)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(guò)光能和熱能的協(xié)同作用，可以在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)甲烷的活化和轉(zhuǎn)化。例如，利用特定的催化劑，如負(fù)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趸癁橐彝椤⒓兹?、乙醇等高附加值化學(xué)品。這種技術(shù)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(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

四、光致熱催化在污染物降解中的應(yīng)用

（1）揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的降解

      揮發(fā)性有機(jī)化合物是一類(lèi)常見(jiàn)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(yīng)易形成光化學(xué)煙霧，嚴(yán)重危害環(huán)境和人類(lèi)健康。光致熱催化技術(shù)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(guò)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(gòu)建復(fù)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(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使催化劑表面溫度升高，同時(shí)石墨烯與甲苯等 VOCs 反應(yīng)物分子之間強(qiáng)烈的 π - π 作用，增加了反應(yīng)物分子在催化劑上的停留時(shí)間。這種光熱協(xié)同效應(yīng)使得 VOCs 在相對(duì)較低的溫度下就能被高效催化氧化為二氧化碳和水等無(wú)害物質(zhì)。研究表明，在無(wú)聚光條件下，該類(lèi)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(wú)害化轉(zhuǎn)化，為解決大氣污染問(wèn)題提供了新的技術(shù)手段。

（2）其他環(huán)境污染物的處理

      除了 VOCs，光致熱催化技術(shù)還在其他環(huán)境污染物的處理方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。例如，對(duì)于一些難降解的有機(jī)廢水污染物，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的光致熱催化劑，可以利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的降解礦化。在處理某些含重金屬離子的廢水時(shí)，光致熱催化過(guò)程中產(chǎn)生的光生載流子和熱效應(yīng)能夠促進(jìn)重金屬離子的還原沉淀，從而達(dá)到去除重金屬污染物的目的。此外，在土壤污染修復(fù)領(lǐng)域，光致熱催化技術(shù)也有望通過(guò)降解土壤中的有機(jī)污染物，改善土壤質(zhì)量，恢復(fù)土壤生態(tài)功能。

五、當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)

（1）催化劑的穩(wěn)定性問(wèn)題

      盡管光致熱催化技術(shù)在能源轉(zhuǎn)化和污染物降解方面取得了一定進(jìn)展，但催化劑的穩(wěn)定性仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在光熱協(xié)同作用下，催化劑可能會(huì)面臨高溫、光照以及反應(yīng)物和產(chǎn)物的化學(xué)侵蝕等多種因素的影響，導(dǎo)致催化劑的活性組分流失、結(jié)構(gòu)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(yīng)中，負(fù)載型金屬催化劑的金屬顆粒可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，降低了活性位點(diǎn)的數(shù)量；而在含有腐蝕性氣體的污染物降解反應(yīng)中，催化劑的表面可能會(huì)被腐蝕，影響其催化活性和穩(wěn)定性。因此，開(kāi)發(fā)具有高穩(wěn)定性的光致熱催化劑是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)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(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。雖然通過(guò)材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但大部分光致熱催化劑對(duì)太陽(yáng)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(zhǎng)范圍的光，無(wú)法充分利用太陽(yáng)能的全光譜能量；另一方面，在光熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中，存在能量損失的問(wèn)題，如光生載流子的復(fù)合、熱能的散失等，導(dǎo)致最終用于驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的能量有限。提高光熱轉(zhuǎn)化效率，需要進(jìn)一步深入研究光與物質(zhì)的相互作用機(jī)制，開(kāi)發(fā)新型的光熱材料，優(yōu)化催化劑的結(jié)構(gòu)和組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的高效捕獲和轉(zhuǎn)化。

（3）反應(yīng)機(jī)理研究尚不完善

      雖然光致熱催化的協(xié)同機(jī)制已被提出，但對(duì)于許多具體的反應(yīng)體系，其詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)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(guò)程中，反應(yīng)物分子在催化劑表面的吸附、活化以及反應(yīng)中間體的形成和轉(zhuǎn)化路徑等，尚未清楚。反應(yīng)機(jī)理研究的不完善，限制了對(duì)催化劑的理性設(shè)計(jì)和優(yōu)化。為了進(jìn)一步提升光致熱催化技術(shù)的性能，需要借助先進(jìn)的表征技術(shù)，如原位光譜技術(shù)、高分辨顯微鏡技術(shù)等，深入研究反應(yīng)過(guò)程中的微觀變化，明確反應(yīng)機(jī)理，為催化劑的開(kāi)發(fā)和反應(yīng)條件的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

六、未來(lái)發(fā)展方向

（1）新型光熱材料的開(kāi)發(fā)

      未來(lái)需要加大對(duì)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(dǎo)體材料、納米復(fù)合材料等，以充分利用太陽(yáng)能的全光譜能量。例如，通過(guò)設(shè)計(jì)合成具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，使其能夠吸收紅外光等低能量光子，拓寬光響應(yīng)范圍。另一方面，開(kāi)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(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性問(wèn)題。例如，采用表面修飾、封裝等技術(shù)手段，提高催化劑對(duì)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(kāi)發(fā)仿生光熱材料，進(jìn)一步提高光熱轉(zhuǎn)化效率和反應(yīng)選擇性。

（2）多學(xué)科交叉融合促進(jìn)技術(shù)發(fā)展

      光致熱催化技術(shù)的發(fā)展需要多學(xué)科的交叉融合?；瘜W(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科的協(xié)同合作至關(guān)重要。例如，化學(xué)領(lǐng)域可以深入研究反應(yīng)機(jī)理，開(kāi)發(fā)新的催化反應(yīng)體系；材料科學(xué)專(zhuān)注于設(shè)計(jì)和制備高性能的光熱催化劑材料；物理學(xué)則為理解光與物質(zhì)的相互作用、熱傳導(dǎo)等過(guò)程提供理論支持；工程學(xué)負(fù)責(zé)將實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用，優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和工藝流程。通過(guò)多學(xué)科的深度融合，能夠從不同角度解決光致熱催化技術(shù)面臨的問(wèn)題，推動(dòng)該技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

（3）拓展應(yīng)用領(lǐng)域與規(guī)?；瘧?yīng)用

      在未來(lái)，光致熱催化技術(shù)有望拓展到更多的應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)用潛力。例如，利用光致熱催化技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的高效利用；在海水淡化過(guò)程中，通過(guò)光熱效應(yīng)提高海水蒸發(fā)效率，降低能耗。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)光致熱催化技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，需要開(kāi)展技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和生命周期評(píng)估，優(yōu)化工藝參數(shù)，降低成本，提高技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。建立示范工程，驗(yàn)證技術(shù)在實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用中的性能和穩(wěn)定性，為其推廣應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

七、結(jié)論

      光致熱催化技術(shù)作為一種具有創(chuàng)新性的催化技術(shù)，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(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了重要的雙重路徑。通過(guò)巧妙地融合光催化與熱催化的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)能夠在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高效的化學(xué)反應(yīng)，減少能耗和碳排放。然而，目前該技術(shù)仍面臨著催化劑穩(wěn)定性、光熱轉(zhuǎn)化效率以及反應(yīng)機(jī)理等方面的挑戰(zhàn)。未來(lái)，通過(guò)新型光熱材料的開(kāi)發(fā)、多學(xué)科交叉融合以及拓展應(yīng)用領(lǐng)域與規(guī)模化應(yīng)用等策略，有望進(jìn)一步提升光致熱催化技術(shù)的性能，解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，使其在推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)，助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)中發(fā)揮更大的作用。

產(chǎn)品展示

      將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的催化反應(yīng)，光熱催化反應(yīng)。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(yīng)作用程度的不同，將光熱催化分類(lèi)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(yīng)系統(tǒng)，實(shí)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)催化劑溫度；配套的質(zhì)量流量PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種反應(yīng)氣體的任意匹配，更有利于實(shí)驗(yàn)的調(diào)整，配方的研發(fā)。

SSC-PTCR光致熱催化反應(yīng)系統(tǒng)，配合控溫和磁力攪拌器，直接升級(jí)為釜式光熱催化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多種體系下評(píng)價(jià)催化劑的活性。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

1)、自主研發(fā)控溫系統(tǒng)，杜絕溫度過(guò)沖；

2)、配置藍(lán)寶石晶體窗口，具有高強(qiáng)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(tái)，氣體與催化劑充分接觸；

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

6)、實(shí)現(xiàn)在高壓（<5MPa）高溫(<250℃)下的材料催化；

7)、法蘭雙線(xiàn)密封技術(shù)，解決密封泄漏問(wèn)題；

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

9)、配置安全卸荷閥，給實(shí)驗(yàn)安全環(huán)境又添了一道安全；

10)、釜內(nèi)配置有報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)超溫、超壓情況時(shí)，自動(dòng)切斷加熱電源，讓操作更安全；

11)、反應(yīng)釜還采用雙線(xiàn)槽柔性密封，良好的密封結(jié)構(gòu)解決了攪拌存在的泄露問(wèn)題，使整個(gè)介質(zhì)和攪拌部件處于密封的狀態(tài)中進(jìn)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(qiáng)的化學(xué)介質(zhì)進(jìn)行攪拌反應(yīng)。