光致熱催化技術融合光催化與熱催化優勢，在能源轉化與污染物降解領域展現出巨大潛力，為碳中和目標的實現提供了雙重路徑。本文詳細闡述了該技術的基本原理，包括光生載流子激發、熱效應促進反應等機制。在能源轉化方面，介紹了其在太陽能制氫、二氧化碳轉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，探討了對揮發性有機化合物（VOCs）和其他環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，如催化劑穩定性、效率提升等問題，并對未來發展方向進行了展望，強調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，發展高效的能源轉化技術以減少對化石能源的依賴，以及有效降解環境污染物，成為實現碳中和的關鍵環節。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動化學反應，還能借助熱效應提升反應效率，為能源轉化與污染物降解提供了創新的解決方案。該技術在溫和條件下實現高值化學品和新能源的綠色低碳生產，符合可持續發展的理念，有望在碳中和進程中發揮重要作用。

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子生成氫氣。然而，在實際應用中，光生載流子容易發生復合，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生。

（3）光致熱催化的協同機制

      光致熱催化技術巧妙地將光催化與熱催化的優勢結合起來。一方面，光催化產生的光生載流子可以參與反應，實現對反應物分子的精準激發和活化；另一方面，光吸收過程中產生的熱效應，即聲子的作用，能夠優化反應路徑，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，光激發產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化，從而提升整體反應效率。這種光子 - 聲子協同催化的機制，打破了傳統光催化和熱催化的局限，為實現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。這種協同作用能夠促進水的分解反應，提高氫氣的產率。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，有助于推動氫能經濟的發展，減少對傳統化石能源的依賴，從而助力碳中和目標的實現。

（2）二氧化碳轉化為燃料

      將二氧化碳轉化為可利用的燃料，是實現碳循環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出巨大潛力。利用太陽能驅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。通過調控光熱條件和催化劑的組成結構，可以實現對產物選擇性的控制。與傳統熱催化二氧化碳轉化相比，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。實現甲烷的高值化利用對于能源開發和環境保護具有雙重意義。光致熱催化為甲烷的轉化提供了新的途徑。傳統熱催化中甲烷轉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同作用，可以在相對較低的溫度下實現甲烷的活化和轉化。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，在光照下能夠將甲烷高效氧化為乙烷、甲醛、乙醇等高附加值化學品。這種技術不僅降低了甲烷轉化的能耗，還提高了產物的選擇性和產率，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，同時創造經濟價值。

四、光致熱催化在污染物降解中的應用

（1）揮發性有機化合物（VOCs）的降解

      揮發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。基于傳統的熱催化劑，如 Pt - TiO?等，通過引入具有寬光譜吸收性質和優異光熱轉換性能的材料，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。研究表明，在無聚光條件下，該類催化劑能夠實現較高的光熱轉換效率以及 VOCs 的高效無害化轉化，為解決大氣污染問題提供了新的技術手段。

（2）其他環境污染物的處理

      除了 VOCs，光致熱催化技術還在其他環境污染物的處理方面展現出應用潛力。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，可以利用太陽能驅動催化反應，實現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，改善土壤質量，恢復土壤生態功能。

五、當前面臨的挑戰

（1）催化劑的穩定性問題

      盡管光致熱催化技術在能源轉化和污染物降解方面取得了一定進展，但催化劑的穩定性仍然是一個關鍵挑戰。在光熱協同作用下，催化劑可能會面臨高溫、光照以及反應物和產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生團聚，降低了活性位點的數量；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定性。因此，開發具有高穩定性的光致熱催化劑是實現該技術工業化應用的關鍵之一。

（2）光熱轉化效率有待提高

      目前光致熱催化體系的光熱轉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化，已經取得了一些進展，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，導致最終用于驅動化學反應的能量有限。提高光熱轉化效率，需要進一步深入研究光與物質的相互作用機制，開發新型的光熱材料，優化催化劑的結構和組成，以實現對太陽能的高效捕獲和轉化。

（3）反應機理研究尚不完善

      雖然光致熱催化的協同機制已被提出，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，為催化劑的開發和反應條件的優化提供理論指導。

六、未來發展方向

（1）新型光熱材料的開發

      未來需要加大對新型光熱材料的研發力度。一方面，探索具有更寬光譜吸收范圍、更高光熱轉換效率的材料，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，開發具有高穩定性和抗腐蝕性的材料，以解決催化劑在實際應用中的穩定性問題。例如，采用表面修飾、封裝等技術手段，提高催化劑對惡劣環境的耐受性。此外，還可以借鑒生物光合作用的原理，開發仿生光熱材料，進一步提高光熱轉化效率和反應選擇性。

（2）多學科交叉融合促進技術發展

      光致熱催化技術的發展需要多學科的交叉融合。化學、材料科學、物理學、工程學等學科的協同合作至關重要。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化為實際的工業應用，優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展和廣泛應用。

（3）拓展應用領域與規模化應用

      在未來，光致熱催化技術有望拓展到更多的應用領域。除了能源轉化和污染物降解，還可以探索其在生物質轉化利用、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轉化為生物燃料，實現生物質資源的高效利用；在海水淡化過程中，通過光熱效應提高海水蒸發效率，降低能耗。同時，為了實現光致熱催化技術的規模化應用，需要開展技術經濟分析和生命周期評估，優化工藝參數，降低成本，提高技術的可行性和經濟性。建立示范工程，驗證技術在實際大規模應用中的性能和穩定性，為其推廣應用提供實踐經驗。

七、結論

      光致熱催化技術作為一種具有創新性的催化技術，在能源轉化和污染物降解方面展現出巨大的潛力，為實現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勢，該技術能夠在溫和條件下實現高效的化學反應，減少能耗和碳排放。然而，目前該技術仍面臨著催化劑穩定性、光熱轉化效率以及反應機理等方面的挑戰。未來，通過新型光熱材料的開發、多學科交叉融合以及拓展應用領域與規模化應用等策略，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型和環境保護，助力碳中和目標的實現中發揮更大的作用。

產品展示

      將太陽能轉化為熱能，并將其轉化為化學能的催化反應，光熱催化反應。根據能量轉換路徑以及熱能和電子激發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同催化。

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

SSC-PTCR光致熱催化反應系統，配合控溫和磁力攪拌器，直接升級為釜式光熱催化系統，可以實現一機多用，多種體系下評價催化劑的活性。

產品優勢：

1)、自主研發控溫系統，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、電絕緣性能優良；

3)、內部磁力攪拌；

4)、內含粉末催化劑放置平臺，氣體與催化劑充分接觸；

5)、釜體內部即可實現氣固反應，也可以實現氣液反應；

6)、實現在高壓（<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)、配置高質量針型閥、三通球閥、壓力表，實現了靈活控制釜體壓力；

9)、配置安全卸荷閥，給實驗安全環境又添了一道安全；

10)、釜內配置有報警，當出現超溫、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，使整個介質和攪拌部件處于密封的狀態中進行工作，因此更適合用于各種易燃易爆、貴重介質及其它滲透力強的化學介質進行攪拌反應。