一、引言

      在全球氣候變化的嚴(yán)峻形勢下，減少二氧化碳（CO?）排放并實現(xiàn)其資源化利用成為研究熱點。光熱催化 CO?加氫制甲醇技術(shù)，將溫室氣體 CO?轉(zhuǎn)化為具有高附加值的甲醇燃料，不僅有助于緩解碳排放壓力，還能構(gòu)建可持續(xù)的碳循環(huán)經(jīng)濟體系。其中，吸附-活化-脫附技術(shù)作為該過程的核心環(huán)節(jié)，直接影響著 CO?轉(zhuǎn)化效率和甲醇產(chǎn)率，對其深入研究具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

二、吸附技術(shù)

（一）吸附劑的選擇

吸附劑的性能對 CO?的捕獲效率至關(guān)重要。目前，常用的吸附劑主要包括金屬有機框架（MOFs）材料、多孔碳材料、金屬氧化物以及離子液體負(fù)載型吸附劑等。MOFs 材料具有高比表面積和可調(diào)控的孔結(jié)構(gòu)，能夠通過設(shè)計合成具有特定官能團的 MOFs，增強對 CO?的化學(xué)吸附能力。例如，含有氨基官能團的 MOFs 材料，氨基可以與 CO?發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氨基甲酸鹽，從而實現(xiàn)對 CO?的高效吸附 。多孔碳材料如活性炭，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，通過表面改性，如引入堿性基團，也能顯著提高對 CO?的吸附性能。金屬氧化物如 MgO、CaO 等，利用其表面的堿性位點與 CO?發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鹽，這類吸附劑在高溫下具有較好的吸附性能，適用于光熱催化過程中較高溫度環(huán)境下的 CO?吸附。離子液體負(fù)載型吸附劑結(jié)合了離子液體對 CO?的高親和力和載體材料的高比表面積優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對 CO?的選擇性吸附。

（二）吸附過程影響因素

吸附過程受溫度、壓力、氣體流速以及吸附劑再生性能等多種因素影響。溫度對吸附過程的影響較為復(fù)雜，一般來說，物理吸附是放熱過程，低溫有利于物理吸附；而化學(xué)吸附在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，吸附速率加快，但過高的溫度會導(dǎo)致吸附平衡逆向移動，降低吸附量。壓力的增加有利于 CO?在吸附劑表面的富集，提高吸附量。氣體流速過快會使 CO?與吸附劑的接觸時間縮短，降低吸附效率；流速過慢則會影響整個反應(yīng)過程的處理量。此外，吸附劑的再生性能也至關(guān)重要，高效的再生方法能夠降低生產(chǎn)成本，提高吸附劑的循環(huán)使用次數(shù)。常見的再生方法包括熱再生、降壓再生和惰性氣體吹掃再生等，其中熱再生是通過升高溫度使吸附的 CO?脫附，是目前應(yīng)用較為廣泛的再生方式。

三、活化技術(shù)

（一）光熱協(xié)同作用機制

光熱催化過程中，光和熱的協(xié)同作用是實現(xiàn) CO?活化的關(guān)鍵。光催化劑能夠吸收光子能量，產(chǎn)生電子-空穴對電子-空穴對可以遷移到催化劑表面，與吸附在表面的 CO?和 H?發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實現(xiàn) CO?的活化。同時，熱作用可以提高反應(yīng)物分子的活性，促進分子的擴散和反應(yīng)速率，增強光催化過程中的化學(xué)反應(yīng)效率。在光熱協(xié)同作用下，CO?分子中的 C=O 鍵被削弱，使其更容易與 H?發(fā)生反應(yīng)生成甲醇等產(chǎn)物。例如，在負(fù)載型 TiO?光催化劑體系中，光照產(chǎn)生的電子 - 空穴對能夠?qū)⑽皆?TiO?表面的 CO?還原為 CO 或其他中間物種，而熱作用則加速了這些中間物種與 H?進一步反應(yīng)生成甲醇的過程。

（二）催化劑設(shè)計與優(yōu)化

催化劑的性能直接決定了 CO?活化的效果。為了提高光熱催化效率，需要對催化劑進行精心設(shè)計和優(yōu)化。一方面，可以通過摻雜、負(fù)載等方法對光催化劑進行改性，提高其光吸收能力和電子 - 空穴對的分離效率。例如，在 TiO?中摻雜過渡金屬離子（如 Fe、Cu 等），可以改變 TiO?的能帶結(jié)構(gòu)，拓展其光響應(yīng)范圍，使其能夠吸收可見光，從而提高光催化活性。另一方面，選擇合適的載體材料負(fù)載催化劑，能夠提高催化劑的分散性和穩(wěn)定性，同時促進反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴散。例如，將貴金屬（如 Au、Ag）負(fù)載在多孔碳材料上，貴金屬不僅可以作為活性位點促進 CO?的活化，還能夠增強催化劑對光的吸收能力，產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)，進一步提高光熱催化效率。此外，開發(fā)新型的復(fù)合催化劑，將不同功能的催化劑組分結(jié)合在一起，實現(xiàn)協(xié)同催化作用，也是提高 CO?活化效率的重要途徑。

四、脫附技術(shù)

（一）脫附原理與方法

脫附是將吸附在催化劑表面或吸附劑上的產(chǎn)物（如甲醇）解吸下來，以便進行后續(xù)分離和提純的過程。脫附過程的原理主要基于熱力學(xué)和動力學(xué)因素。當(dāng)體系的溫度、壓力等條件發(fā)生變化時，吸附質(zhì)與吸附劑或催化劑表面的相互作用力減弱，從而實現(xiàn)脫附。常見的脫附方法包括熱脫附、吹掃脫附和真空脫附等。熱脫附是通過升高溫度，增加吸附質(zhì)分子的動能，使其克服吸附力而脫附，這種方法操作簡單，應(yīng)用廣泛，但過高的溫度可能會導(dǎo)致產(chǎn)物的分解或催化劑的失活。吹掃脫附是利用惰性氣體（如 N?）吹掃吸附體系，將吸附質(zhì)帶出，該方法可以在較低溫度下進行，對產(chǎn)物和催化劑的影響較小，但需要消耗一定量的惰性氣體。真空脫附是通過降低體系的壓力，使吸附質(zhì)在較低溫度下實現(xiàn)脫附，這種方法適用于對溫度敏感的產(chǎn)物脫附。

（二）脫附過程的優(yōu)化

為了提高脫附效率，需要對脫附過程進行優(yōu)化。首先，合理控制脫附溫度和時間是關(guān)鍵。溫度過高會導(dǎo)致產(chǎn)物分解和催化劑性能下降；脫附時間過短，時間過長則會增加能耗和生產(chǎn)成本。其次，選擇合適的吹掃氣體和流速也很重要。吹掃氣體應(yīng)具有化學(xué)惰性，不與產(chǎn)物和催化劑發(fā)生反應(yīng)，且流速要適中，既能保證產(chǎn)物的有效脫附，又不會對體系造成過大的擾動。此外，結(jié)合多種脫附方法，如采用熱 - 真空聯(lián)合脫附，能夠充分發(fā)揮不同脫附方法的優(yōu)勢，提高脫附效率和產(chǎn)物的回收率。

五、當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

（一）面臨的挑戰(zhàn)

盡管光熱催化 CO?加氫制甲醇的吸附 - 活化 - 脫附技術(shù)取得了一定的進展，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。在吸附環(huán)節(jié)，目前大多數(shù)吸附劑存在吸附容量有限、吸附選擇性不高以及再生過程能耗大等問題。在活化環(huán)節(jié)，光催化劑的光吸收效率低、電子 - 空穴對復(fù)合率高以及催化劑的穩(wěn)定性差等問題制約了 CO?的高效活化。在脫附環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)溫和條件下的高效脫附，避免產(chǎn)物的二次反應(yīng)和催化劑的失活，也是亟待解決的問題。此外，整個光熱催化過程的系統(tǒng)集成和放大還面臨技術(shù)難題，如光熱反應(yīng)器的設(shè)計、熱量和質(zhì)量傳遞的優(yōu)化等。

（二）解決方案

針對上述挑戰(zhàn)，需要從多個方面尋求解決方案。在吸附劑研發(fā)方面，通過分子模擬和高通量篩選技術(shù)，設(shè)計合成具有高吸附容量、高選擇性和低再生能耗的新型吸附劑。例如，利用機器學(xué)習(xí)算法預(yù)測吸附劑的性能，指導(dǎo)吸附劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計。在催化劑優(yōu)化方面，開發(fā)新型光催化劑材料，如二維材料（如石墨烯、二硫化鉬等）基光催化劑，利用其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)提高光催化活性；同時，采用納米結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面工程技術(shù)，提高催化劑的穩(wěn)定性和電子 - 空穴對的分離效率。在脫附技術(shù)改進方面，探索新型脫附方法，如微波輔助脫附、超聲輔助脫附等，利用微波和超聲的特殊作用機制，實現(xiàn)溫和條件下的高效脫附。在系統(tǒng)集成方面，加強光熱反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化研究，采用多尺度模擬方法，研究反應(yīng)器內(nèi)的流體流動、熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)過程，實現(xiàn)光熱催化過程的高效放大。

六、未來發(fā)展趨勢

      未來，光熱催化 CO?加氫制甲醇的吸附 - 活化 - 脫附技術(shù)將朝著高效化、綠色化和智能化方向發(fā)展。在高效化方面，通過開發(fā)新型高性能材料和優(yōu)化工藝條件，進一步提高 CO?的轉(zhuǎn)化率和甲醇的產(chǎn)率。在綠色化方面，采用更加環(huán)保的合成方法制備吸附劑和催化劑，降低生產(chǎn)過程中的能耗和污染物排放；同時，實現(xiàn)整個過程的資源循環(huán)利用，提高過程的可持續(xù)性。在智能化方面，利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對光熱催化過程進行實時監(jiān)測和優(yōu)化控制，實現(xiàn)過程參數(shù)的智能調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，隨著光熱催化技術(shù)與其他技術(shù)的交叉融合，如與生物轉(zhuǎn)化技術(shù)、電催化技術(shù)等相結(jié)合，有望開辟 CO?資源化利用的新途徑，為解決全球能源和環(huán)境問題提供更有效的解決方案。

產(chǎn)品展示

      將太陽能轉(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(yīng)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(yīng)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(lán)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(yīng)，也可以實現(xiàn)氣液反應(yīng)；

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(shù)，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(dāng)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(yīng)釜還采用雙線槽柔性密封，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(xué)介質(zhì)進行攪拌反應(yīng)。