一、引言

      在全球氣候變化的嚴峻挑戰(zhàn)下，實現(xiàn)碳中和已成為國際社會的廣泛共識和緊迫任務。碳中和，即通過各種手段使二氧化碳的排放量與吸收量達到平衡，從而有效遏制全球氣溫上升的趨勢。這不僅是應對環(huán)境危機的關鍵舉措，更是推動全球經濟向綠色、可持續(xù)方向轉型的重要契機。在眾多實現(xiàn)碳中和的技術路徑中，光熱催化技術以其優(yōu)勢和廣闊的應用前景，逐漸成為科研領域的研究熱點。

      光熱催化技術巧妙地將光催化和熱催化兩種技術的優(yōu)勢相結合，形成了一種高效的能量轉換和化學反應加速體系。光催化利用光能激發(fā)催化劑表面的電子躍遷，產生具有高活性的光生載流子，這些載流子能夠參與并促進化學反應的進行。然而，傳統(tǒng)光催化存在反應效率較低、太陽光譜利用率有限等問題。熱催化則通過升高溫度，增加反應物分子的能量，使其更容易克服反應的活化能壘，從而加快反應速率。但熱催化往往需要消耗大量的能源，且在高溫條件下容易引發(fā)副反應。光熱催化技術通過巧妙的設計，實現(xiàn)了光和熱的協(xié)同作用，既利用光生載流子的高活性來降低反應的活化能，又借助熱場提高反應物分子的擴散速率和反應活性，從而顯著提升了整體的催化效率和能量利用效率。

      從全球范圍來看，各國都在積極布局和推進碳中和相關的研究與實踐。許多發(fā)達國家憑借其先進的科研實力和雄厚的資金支持，在光熱催化技術的基礎研究和應用開發(fā)方面取得了顯著進展。例如，歐盟通過一系列的科研項目，大力推動光熱催化技術在能源領域的應用，旨在減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，提高能源的可持續(xù)性。美國則在材料科學和納米技術的基礎上，不斷探索新型光熱催化劑的研發(fā)，力求在光熱催化技術的關鍵核心環(huán)節(jié)取得突破。發(fā)展中國家也不甘落后，加大了對光熱催化技術的研發(fā)投入，建立了多個產學研聯(lián)合創(chuàng)新平臺，加速技術的產業(yè)化進程。印度、巴西等國家也根據自身的資源優(yōu)勢和發(fā)展需求，積極開展光熱催化技術在農業(yè)廢棄物處理、生物質能源轉化等領域的應用研究。

      隨著全球對碳中和目標的關注度不斷提高，光熱催化技術的研究和應用也迎來了機遇。一方面，各國政府紛紛出臺相關政策，加大對清潔能源技術研發(fā)的支持力度，為光熱催化技術的發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境和資金保障。另一方面，社會各界對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的意識不斷增強，對清潔能源和綠色技術的需求日益旺盛，這為光熱催化技術的商業(yè)化推廣創(chuàng)造了廣闊的市場空間。此外，材料科學、納米技術、人工智能等多學科的快速發(fā)展，為光熱催化技術的創(chuàng)新提供了強大的技術支撐。新型光熱材料的不斷涌現(xiàn)，使得光熱催化劑的性能得到了顯著提升；納米技術的應用，能夠精確調控催化劑的微觀結構，進一步優(yōu)化其催化活性；人工智能技術則可以通過大數(shù)據分析和模擬計算，加速新型催化劑的篩選和反應條件的優(yōu)化，大大提高了研發(fā)效率。在這樣的背景下，深入研究光熱催化技術的機遇、挑戰(zhàn)與全球實踐，對于推動該技術的進一步發(fā)展，助力全球碳中和目標的實現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實意義。

二、光熱催化技術原理

2.1 光催化與熱催化基礎

      光催化的核心原理基于半導體材料的光電特性。當具有合適能量的光子照射到半導體光催化劑（如常見的 TiO?、ZnO 等）表面時，半導體價帶中的電子會吸收光子能量，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，能夠與吸附在催化劑表面的反應物分子發(fā)生氧化還原反應。以水分解制氫為例，光生電子具有還原性，可與水中的 H?結合生成氫氣；光生空穴具有氧化性，能與 OH?反應生成氧氣。然而，在實際應用中，光生電子 - 空穴對容易發(fā)生復合，導致光催化效率降低。同時，光催化劑對太陽光譜的響應范圍有限，大部分太陽能無法被有效利用，這極大地限制了光催化技術的發(fā)展。

      熱催化是工業(yè)化學合成中廣泛應用的技術，其原理是通過升高反應溫度，增加反應物分子的熱運動能量，使反應物分子更容易克服反應的活化能壘，從而加速化學反應的進行。在熱催化反應中，反應物分子首先吸附在催化劑表面，然后在高溫作用下，分子內的化學鍵發(fā)生斷裂和重組，進而轉化為產物分子。例如，在合成氨工業(yè)中，氮氣和氫氣在高溫（通常為 400 - 500℃）、高壓（15 - 30 MPa）以及鐵基催化劑的作用下反應生成氨氣。熱催化雖然能夠實現(xiàn)較高的反應速率，但高溫高壓條件不僅導致能耗大幅增加，還容易引發(fā)副反應，降低目標產物的選擇性。此外，在苛刻的反應條件下，催化劑的穩(wěn)定性也面臨嚴峻挑戰(zhàn)，容易出現(xiàn)失活現(xiàn)象。

2.2 光熱協(xié)同作用機制

      光熱協(xié)同催化技術巧妙地融合了光催化與熱催化的優(yōu)勢，通過光生載流子與局域熱場的協(xié)同作用，顯著提升了催化反應的效率和性能。其協(xié)同作用機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.光 - 熱耦合效應

光吸收與熱轉換：光熱材料（如貴金屬納米顆粒、MXene、黑磷等）具有優(yōu)異的光吸收性能，當它們吸收光能后，可通過局域表面等離子體共振（LSPR）或晶格振動等方式將光能高效轉化為熱能，從而在催化劑表面形成局域高溫微環(huán)境，溫度可達 100 - 500℃。這種局域高溫環(huán)境能夠有效加速化學反應的進行，同時降低對外部高溫能源的依賴。

熱促進電荷分離：熱能的引入可以降低光生電子 - 空穴對的復合率。例如，在 TiO?光催化劑中，熱振動能夠促進電子向 Ti3?缺陷位點遷移，延長光生載流子的壽命，使其有更多機會遷移至催化劑表面參與反應，從而提高光催化效率。

2.協(xié)同作用路徑

光驅動吸附活化：光生電子能夠降低反應物在催化劑表面的吸附能，促進反應物分子的吸附與活化。例如，在 CO?還原反應中，光生電子可以使 CO?在 Cu?O 表面的吸附能力增強，從而提高 CO?的活化效率，為后續(xù)的還原反應奠定基礎。

熱驅動鍵斷裂：局域高溫環(huán)境能夠削弱反應物分子中的化學鍵，如在 CO?還原反應中，高溫可有效削弱 C = O 鍵，在 VOCs 降解反應中，高溫能削弱 C - H 鍵，從而加速反應進程，提高反應速率。

熱力學與動力學協(xié)同：光熱協(xié)同效應能夠同時降低反應的活化能和熱力學能壘。相關研究表明，在甲烷生成反應中，光熱協(xié)同作用可使反應的 ΔG 降低 30 - 50%（Nature Catalysis, 2023），這意味著反應在更溫和的條件下就能朝著生成目標產物的方向進行，既提高了反應的熱力學可行性，又加快了反應的動力學速率。

2.3 光熱催化的優(yōu)勢

      與單一的光催化或熱催化相比，光熱協(xié)同催化具有諸多顯著優(yōu)勢，使其在能源轉化與環(huán)境治理等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。

1.提高反應效率：光熱協(xié)同催化能夠充分發(fā)揮光催化和熱催化的協(xié)同作用，顯著提高反應速率和轉化率。在二氧化碳加氫制甲醇的反應中，光熱協(xié)同催化體系下甲醇的產率相較于單純的光催化或熱催化有大幅提升。這是因為光生載流子的參與降低了反應的活化能，而局域熱場則加快了反應物分子的擴散速率和反應活性，兩者協(xié)同作用，極大地促進了甲醇的生成。

2.拓寬反應底物范圍：一些在單一催化模式下難以發(fā)生反應的底物，在光熱協(xié)同催化條件下能夠順利進行反應。光熱協(xié)同作用改變了反應的路徑和活化能，使原本化學性質穩(wěn)定、難以被活化的底物能夠參與反應。這為開發(fā)新型化學反應路徑、拓展化學合成的范圍提供了新的可能。

3.降低能量消耗：光催化過程利用太陽能等清潔能源，減少了對傳統(tǒng)化石能源的依賴。同時，由于光熱協(xié)同作用，熱催化部分可以在相對較低的溫度下進行反應，降低了對外部高溫能源的需求，從而顯著降低了整個反應過程的能量消耗。這種節(jié)能特性對于實現(xiàn)可持續(xù)能源轉化和工業(yè)生產具有重要意義。

4.提升催化劑穩(wěn)定性：在光熱協(xié)同催化體系中，合理的光熱條件設計有助于減少催化劑因高溫或光照導致的失活現(xiàn)象。相較于傳統(tǒng)熱催化的高溫條件，光熱協(xié)同催化的局域熱場更為溫和，能夠降低催化劑因燒結、積碳等原因造成的失活風險。此外，光生載流子的存在還可能對催化劑表面的活性位點起到一定的保護和修復作用，進一步提升催化劑的穩(wěn)定性和使用壽命。

      光熱催化技術通過光熱協(xié)同作用機制，克服了傳統(tǒng)光催化和熱催化的局限性，展現(xiàn)出了高效、節(jié)能、拓寬反應底物范圍以及提升催化劑穩(wěn)定性等諸多優(yōu)勢，為實現(xiàn)碳中和目標提供了強有力的技術支撐。隨著對其作用機制的深入研究和技術的不斷創(chuàng)新，光熱催化技術有望在更多領域實現(xiàn)廣泛應用和突破。

三、光熱催化在碳中和中的機遇

3.1 能源領域的應用潛力

1.高效制氫：氫氣作為一種清潔、高效的能源載體，在未來碳中和能源體系中占據著核心地位。光熱催化分解水制氫為可持續(xù)制氫提供了一條具潛力的途徑。傳統(tǒng)的電解水制氫需要消耗大量電能，成本較高；而光催化制氫雖利用太陽能，但效率較低。光熱催化制氫巧妙地結合了光和熱的作用，能夠顯著提高制氫效率。通過優(yōu)化光熱催化劑的組成和結構，以及調控反應條件，可有效促進水的分解反應。例如，某些新型光熱催化劑在模擬太陽光照射下，能夠在相對較低的溫度下實現(xiàn)高效水分解，產氫速率和太陽能 - 氫能轉換效率均得到大幅提升。這不僅有助于緩解當前氫氣生產對化石能源的依賴，還能降低制氫成本，推動氫能在交通、儲能等領域的廣泛應用，加速能源轉型進程。

2.二氧化碳轉化：將二氧化碳轉化為有價值的化學品或燃料，是實現(xiàn)碳循環(huán)利用、緩解溫室氣體排放壓力的關鍵策略。光熱催化在二氧化碳轉化領域展現(xiàn)出優(yōu)勢。一方面，光生載流子能夠活化二氧化碳分子，降低其轉化的反應能壘；另一方面，局域熱場有助于促進反應的進行，提高反應速率和產物選擇性。研究表明，在光熱催化條件下，二氧化碳可被高效轉化為甲醇、甲酸、甲烷等多種化學品和燃料。其中，二氧化碳加氫制甲醇反應備受關注，通過合理設計光熱催化劑的活性位點和載體結構，能夠實現(xiàn)甲醇的高選擇性合成。這不僅為二氧化碳的資源化利用提供了有效途徑，還能生產出具有經濟價值的化工產品，實現(xiàn)環(huán)境效益與經濟效益的雙贏。

3.2 環(huán)境治理方面的貢獻

1.有機污染物降解：隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，有機污染物對環(huán)境的危害日益嚴重。光熱協(xié)同催化在有機污染物降解領域具有顯著優(yōu)勢。在光照和適當溫度的協(xié)同作用下，光熱催化劑能夠產生豐富的活性氧物種，如羥基自由基（?OH）、超氧自由基（?O??）等。這些活性氧物種具有強的氧化能力，能夠將有機污染物（如染料、農藥、抗生素等）分解為二氧化碳和水等無害小分子。與傳統(tǒng)的光催化或熱催化降解方法相比，光熱協(xié)同催化能夠更有效地提高污染物的降解速率和礦化程度，縮短處理時間，減少二次污染的風險。例如，在處理印染廢水中的有機染料時，光熱催化技術能夠在較短時間內實現(xiàn)染料的高效脫色和降解，使廢水達到排放標準，為工業(yè)廢水處理提供了一種高效、綠色的解決方案。

2.溫室氣體減排：除了二氧化碳，甲烷等其他溫室氣體對全球氣候變化也有著重要影響。光熱催化技術在甲烷等溫室氣體減排方面同樣具有潛在應用價值。例如，通過光熱催化氧化反應，可將甲烷轉化為二氧化碳和水，從而降低大氣中甲烷的濃度。此外，光熱催化還可用于處理工業(yè)廢氣中的其他溫室氣體，如氧化亞氮（N?O）等。通過開發(fā)高效的光熱催化劑和優(yōu)化反應條件，能夠實現(xiàn)對這些溫室氣體的選擇性催化轉化，將其轉化為無害或低危害的物質，為全球溫室氣體減排做出貢獻。

3.3 工業(yè)過程中的節(jié)能減排

1.化工合成：在傳統(tǒng)化工合成過程中，許多反應需要在高溫、高壓等苛刻條件下進行，這不僅導致能耗高、設備投資大，還容易產生大量副產物。光熱催化技術的應用有望改變這一現(xiàn)狀。通過利用光熱協(xié)同作用，可在相對溫和的條件下實現(xiàn)一些化工合成反應，降低反應溫度和壓力，減少能源消耗和設備成本。例如，在某些有機合成反應中，光熱催化能夠促進反應物分子的活化和選擇性轉化，提高目標產物的收率，同時減少副反應的發(fā)生。這不僅有助于實現(xiàn)化工生產的節(jié)能減排，還能提高產品質量和經濟效益，推動化工行業(yè)向綠色、可持續(xù)方向發(fā)展。

2.材料生產：材料生產過程通常也是能源消耗和碳排放的重點領域。光熱催化技術在材料生產中的應用可以實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色制造。在陶瓷材料的燒結過程中，傳統(tǒng)方法需要高溫長時間處理，能耗巨大。采用光熱催化輔助燒結技術，可利用光熱效應在較低溫度下實現(xiàn)陶瓷材料的快速燒結，縮短燒結時間，降低能源消耗。此外，在一些納米材料的制備過程中，光熱催化能夠精確控制反應過程，提高材料的合成效率和質量，減少生產過程中的廢棄物排放，實現(xiàn)材料生產的綠色化和可持續(xù)發(fā)展。

光熱催化技術在能源領域的高效制氫和二氧化碳轉化、環(huán)境治理方面的有機污染物降解和溫室氣體減排以及工業(yè)過程中的節(jié)能減排等多個方面展現(xiàn)出了巨大的機遇和潛力。通過充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，光熱催化技術將為實現(xiàn)碳中和目標提供重要的技術支撐，推動全球能源、環(huán)境和工業(yè)領域的可持續(xù)發(fā)展。

四、光熱催化面臨的挑戰(zhàn)

4.1 光熱轉換效率問題

1.材料性能限制：目前，光熱轉換效率的提升面臨著材料性能方面的瓶頸。盡管已經開發(fā)出多種光熱材料，如貴金屬納米顆粒、MXene、黑磷等，但它們在光吸收范圍、光熱轉換效率以及穩(wěn)定性等方面仍存在不足。貴金屬納米顆粒雖具有優(yōu)異的局域表面等離子體共振（LSPR）效應，能夠高效吸收光能并轉化為熱能，但其成本高昂，且在高溫、高濕度等復雜環(huán)境下容易發(fā)生團聚和氧化，導致性能下降。MXene 和黑磷等新型二維材料具有良好的光熱性能電子結構，但它們的合成工藝復雜，大規(guī)模制備困難，且在空氣中的穩(wěn)定性較差，限制了其實際應用。此外，大多數(shù)光熱材料對太陽光譜的響應范圍較窄，無法充分利用太陽能的全光譜能量，這也在一定程度上制約了光熱轉換效率的進一步提高。

2.能量損耗途徑：在光熱催化過程中，存在多種能量損耗途徑，影響了光熱轉換效率。一方面，光生載流子的復合是導致能量損耗的重要原因之一。光生電子 - 空穴對在產生后，若不能及時遷移到催化劑表面參與反應，就容易發(fā)生復合，將吸收的光能以熱能或光子的形式釋放出去，降低了光催化效率。另一方面，光熱材料吸收光能產生的熱能在傳遞過程中也會存在損耗。由于催化劑與反應體系之間存在熱阻，部分熱能無法有效傳遞給反應物分子，導致能量利用率降低。此外，在一些復雜的光熱催化體系中，還可能存在光散射、光反射等現(xiàn)象，進一步造成光能的損失，影響光熱轉換效率。

4.2 催化劑穩(wěn)定性難題

1.結構變化：在光熱協(xié)同催化過程中，催化劑的結構容易受到光照、高溫等因素的影響而發(fā)生變化，從而導致活性降低。長時間的光照可能引發(fā)催化劑表面的光腐蝕現(xiàn)象，使催化劑的晶體結構發(fā)生破壞，活性位點減少。高溫條件下，催化劑的顆粒容易發(fā)生燒結和團聚，導致比表面積減小，活性位點被覆蓋，從而降低了催化劑的活性和選擇性。在一些光熱催化二氧化碳還原反應中，金屬催化劑在高溫和高濃度二氧化碳氣氛下，容易發(fā)生晶相轉變和表面重構，導致催化劑對二氧化碳的吸附和活化能力下降，影響反應性能。

2.中毒現(xiàn)象：催化劑中毒也是影響其穩(wěn)定性的重要因素之一。反應體系中的雜質或副產物可能會吸附在催化劑的活性位點上，形成不可逆的吸附物種，阻礙反應物分子與活性位點的接觸，導致催化劑中毒失活。

五、總結

      光熱催化技術通過光-熱-化學能協(xié)同轉換，為綠色化學與可持續(xù)發(fā)展提供了新路徑，但其商業(yè)化仍需解決效率、穩(wěn)定性與成本問題。未來，多學科交叉（材料科學、反應工程、AI）將是突破技術瓶頸的關鍵。

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(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(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、貴重介質及其它滲透力強的化學介質進行攪拌反應。