在當前全球對能源和環境問題高度關注的背景下，光熱協同催化作為一種具潛力的技術，為實現高效的能源轉化和環境凈化提供了新途徑。光熱協同催化能夠同時利用光和熱的能量，發揮兩者的協同效應，顯著提升催化反應的效率和選擇性，在 CO?轉化、污染物降解等諸多領域展現出廣闊的應用前景 。然而，深入理解光熱協同催化反應的內在機制，對于進一步優化催化劑性能、提升反應效率至關重要。這在很大程度上依賴于先進的表征技術，以實現在反應過程中對催化劑和反應中間體的實時監測。

      原位表征技術能夠在接近實際反應條件下，對催化劑的結構變化、反應中間體的生成與轉化進行直接觀察，為揭示反應機理提供了關鍵信息。傳統的原位表征技術在面對復雜的光熱協同催化體系時，往往受到多種因素的干擾，難以準確區分來自不同來源的信號，導致對反應路徑的解析存在困難。雙光路系統的原位表征技術應運而生，該技術通過光路設計，能夠有效消除背景干擾，實現對反應過程中微弱信號的精確捕捉，為深入研究光熱協同催化反應路徑提供了強有力的手段。本文將詳細介紹基于雙光路系統的原位表征技術的原理、特點及其在揭示光熱協同催化反應路徑方面的應用與成果。

一、光熱協同催化反應概述

（1）光熱協同催化的優勢

光熱協同催化融合了光催化和熱催化的優勢，克服了兩者單獨使用時的局限性。熱催化通常需要較高的溫度來激活反應，這不僅消耗大量能源，還容易引發副反應，導致催化劑失活。例如在甲烷重整工藝中，鎳基催化劑在 800 - 900℃、2 - 3MPa 的苛刻條件下，極易因結焦而失活 。而光催化雖能在室溫下利用光能啟動反應，但存在反應效率低、選擇性差以及太陽光譜利用率低等問題 。光熱協同催化通過光熱雙重激活驅動反應，一方面，光生載流子能夠參與熱催化步驟，降低反應的能耗，提升反應速率，如 Ag 納米結構在光照下，乙烯環氧化速率可提升 3 倍，同時能耗降低 ；另一方面，適度加熱能夠提升光催化效率，如采用 Au - ZnO/TiO?在 200℃下，甲烷高選擇性氧化為乙烷的活性可提升 10 倍 。這種協同效應使得光熱協同催化在溫和條件下即可實現高效的化學反應，為能源和化工領域帶來了新的機遇。

（2）反應路徑的復雜性

光熱協同催化反應路徑極為復雜，涉及光激發、熱激活、反應物吸附、中間體形成與轉化以及產物脫附等多個過程。在光激發過程中，催化劑吸收光子產生電子 - 空穴對，這些載流子在催化劑表面遷移并參與反應。熱激活則能夠促進反應物分子的擴散和活化，加速反應動力學過程。反應物分子在催化劑表面的吸附位點和吸附方式對反應路徑有著重要影響，不同的吸附態可能導致不同的反應中間體生成。例如在 CO?光熱還原反應中，CO?分子可能以多種吸附態存在，如線性吸附的 CO??、彎曲吸附的 η1 - CO?等，這些不同的吸附態會進一步引發不同的反應路徑，生成 CO、CH?、CH?OH 等多種產物 。反應中間體的轉化過程也受到光、熱以及催化劑表面性質等多種因素的共同作用，使得反應路徑呈現出高度的復雜性。準確解析這些復雜的反應路徑，對于優化光熱協同催化體系、提高目標產物的選擇性和產率具有關鍵意義。

二、雙光路系統原位表征技術原理

（1）雙光路系統設計

雙光路系統原位表征技術通過巧妙的光路設計，實現了對反應過程中信號的精確檢測與分析。該系統主要由光源、分束器、樣品池、探測器以及數據處理系統等部分組成 。光源發出的光經過分束器后，被分為兩束光，一束為參考光，另一束為探測光。參考光直接進入探測器，作為信號比對的基準。探測光則經過特殊設計的樣品池，與反應體系中的催化劑和反應物相互作用，攜帶了反應過程中的各種信息。樣品池的設計至關重要，它需要滿足在高溫、高壓以及復雜反應氣氛下的光學性能要求，同時要保證反應的原位性。例如，在一些用于氣固反應的雙光路原位紅外光譜池中，采用了耐高溫、耐高壓且對紅外光具有良好透過性的材料制作池體，并且在池體內部設置了精確的溫度控制和氣體流通裝置，以模擬實際的反應條件 。經過樣品池后的探測光與參考光在探測器中進行比對，通過分析兩束光之間的差異，能夠有效消除背景干擾，提取出與反應相關的微弱信號。

（2）消除干擾與信號增強機制

在傳統的原位表征技術中，信號往往受到多種干擾因素的影響，如反應氣體、物理吸附分子以及熱輻射等。這些干擾信號與目標信號混在一起，使得對反應過程的準確監測變得困難。雙光路系統原位表征技術通過參考光的引入，能夠有效地消除這些干擾。當探測光與反應體系相互作用時，反應氣體、物理吸附分子等產生的背景吸收信號同樣會影響參考光和探測光。在探測器進行信號比對時，這些共同的背景干擾信號會被相互抵消，從而突出了與反應過程直接相關的信號 。對于熱輻射干擾，由于參考光和探測光在相同的環境中傳播，受到的熱輻射影響基本相同，通過比對兩束光的強度變化，可以消除熱輻射對信號的干擾。雙光路系統還能夠通過信號增強機制提高檢測的靈敏度。例如，在一些基于雙光路的紅外光譜技術中，利用干涉原理，使得兩束光在探測器中發生干涉，當目標信號存在時，干涉條紋會發生特定的變化，通過對干涉條紋變化的精確測量，能夠顯著增強信號強度，從而實現對微弱反應信號的檢測 。這種消除干擾與信號增強機制的結合，使得雙光路系統原位表征技術在復雜的光熱協同催化反應體系中具有優勢。

三、雙光路系統在光熱協同催化反應研究中的應用

（1）實時監測反應中間體

在光熱協同催化反應中，反應中間體的識別與監測是揭示反應路徑的關鍵環節。雙光路原位紅外光譜技術在這方面發揮了重要作用。以 CO?光熱還原反應為例，研究人員利用雙光路原位紅外光譜儀，能夠實時監測到反應過程中 CO?吸附態的變化以及反應中間體的生成 。在反應初期，通過光譜可以觀察到 CO?分子在催化劑表面的吸附峰，隨著光熱反應的進行，出現了新的吸收峰，對應著反應中間體如甲酸鹽（HCOO?）、一氧化碳（CO）等的生成。通過對這些吸收峰的強度、位置以及隨時間變化的規律進行分析，能夠推斷出 CO?分子的活化過程以及反應中間體之間的轉化路徑 。雙光路系統能夠有效消除反應氣體和背景噪聲的干擾，使得對這些反應中間體微弱信號的監測更加準確可靠。在一些復雜的催化體系中，可能同時存在多種反應中間體，且它們的信號相互重疊，傳統的表征技術難以區分。而雙光路原位紅外光譜技術通過其高分辨率和抗干擾能力，能夠對這些重疊信號進行解析，為深入理解反應路徑提供了詳細的信息 。

（2）解析催化劑表面結構變化

光熱協同催化反應過程中，催化劑的表面結構會發生動態變化，這些變化與催化活性和選擇性密切相關。雙光路 X 射線吸收精細結構（XAFS）光譜技術能夠在原位條件下，對催化劑表面原子的配位環境、氧化態以及電子結構等進行精確測量，從而揭示催化劑表面結構的變化 。在研究負載型金屬催化劑在光熱催化反應中的結構變化時，利用雙光路 XAFS 技術發現，在光照和加熱的協同作用下，金屬活性中心的配位環境發生了明顯改變。例如，金屬原子與載體之間的化學鍵長可能會發生變化，導致金屬活性中心的電子云密度改變，進而影響催化劑對反應物的吸附和活化能力 。通過對不同反應階段催化劑表面結構變化的連續監測，能夠建立起催化劑結構與反應性能之間的關聯。當催化劑表面形成特定的活性位點結構時，反應對目標產物的選擇性顯著提高。這種對催化劑表面結構變化的深入解析，為設計和優化高性能的光熱協同催化劑提供了重要依據 。

（3）研究光熱協同效應機制

雙光路系統原位表征技術為研究光熱協同效應機制提供了有力手段。通過同時監測光激發和熱激活過程中催化劑和反應體系的變化，能夠深入理解光熱協同作用的本質。在光熱催化甲烷重整反應中，利用雙光路的光熱聯用技術，研究人員發現光生載流子與熱激活的反應物分子之間存在協同作用 。在光照條件下，催化劑表面產生的電子 - 空穴對能夠促進甲烷分子的 C - H 鍵活化，而熱激活則加速了反應物和產物分子在催化劑表面的擴散過程。通過雙光路系統對光生載流子的壽命、遷移速率以及熱激活過程中分子動力學參數的測量，建立了光熱協同作用的動力學模型 。該模型表明，光熱協同效應并非光催化和熱催化的簡單疊加，而是兩者之間存在復雜的相互作用，如光生載流子能夠降低熱催化反應的活化能，熱激活則能夠促進光生載流子的分離和傳輸，從而顯著提高反應效率 。這種對光熱協同效應機制的深入研究，有助于進一步優化光熱協同催化反應體系，提高能源利用效率。

四、研究實例與成果

（1）實例一：CO?光熱還原制燃料

在 CO?光熱還原制燃料的研究中，某研究團隊利用雙光路原位紅外光譜技術和光熱質譜聯用技術，對反應過程進行了全面深入的研究 。他們設計合成了一種新型的負載型等離子體金屬 - 半導體復合催化劑，該催化劑在光熱協同作用下能夠高效地將 CO?轉化為甲烷、一氧化碳等燃料。通過雙光路原位紅外光譜，實時監測到了 CO?在催化劑表面的吸附和活化過程，以及反應中間體如甲酸鹽、羰基物種的生成和轉化 。在光照和加熱的初期，觀察到 CO?分子在催化劑表面形成了多種吸附態，隨著反應的進行，這些吸附態逐漸轉化為甲酸鹽中間體，隨后甲酸鹽進一步分解生成一氧化碳和甲烷。結合光熱質譜技術對產物的實時檢測，確定了 CO?光熱還原的主要反應路徑 。該研究還發現，光熱協同作用能夠顯著提高 CO?的轉化率和甲烷的選擇性，相比于單純的光催化或熱催化反應，效率提升了數倍。通過對反應過程中光熱協同效應機制的深入分析，揭示了等離子體金屬在光激發下產生的熱電子能夠促進 CO?的活化和還原，而半導體材料則有助于光生載流子的分離和傳輸，兩者協同作用實現了高效的 CO?光熱還原反應 。

（2）實例二：光熱催化降解有機污染物

針對日益嚴重的有機污染物環境污染問題，科研人員運用雙光路系統的原位拉曼光譜技術和光熱反應動力學測試，開展了光熱催化降解有機污染物的研究 。他們制備了一種具有高效光熱轉換性能的納米復合材料催化劑，用于降解廢水中的有機染料污染物。雙光路原位拉曼光譜能夠實時監測催化劑表面有機污染物分子的吸附和降解過程中的化學鍵變化 。在光熱催化反應開始后，通過拉曼光譜觀察到有機染料分子的特征振動峰逐漸減弱，同時出現了一些新的中間產物的振動峰，表明有機染料分子在催化劑表面發生了逐步降解。通過對拉曼光譜信號強度隨時間的變化進行分析，建立了有機污染物降解的動力學模型 。結合光熱反應動力學測試，研究發現光熱協同作用能夠加速有機污染物分子的活化和氧化過程，提高降解反應速率。在一定的光強和溫度條件下，該催化劑能夠在短時間內將有機染料污染物降解至檢測限以下，展現出良好的光熱催化降解性能 。這項研究為有機污染物的高效治理提供了新的技術思路和理論依據。

五、結論與展望

（1）研究成果總結

基于雙光路系統的原位表征技術在揭示光熱協同催化反應路徑方面取得了顯著成果。通過光路設計和信號處理機制，有效消除了反應過程中的背景干擾，實現了對反應中間體、催化劑表面結構變化以及光熱協同效應機制的實時、精準監測與解析 。在 CO?光熱還原制燃料、光熱催化降解有機污染物等多個研究實例中，該技術成功地揭示了復雜的反應路徑，為理解光熱協同催化反應的內在機制提供了關鍵信息。確定了 CO?光熱還原過程中從反應物吸附、中間體生成到產物形成的詳細反應步驟，以及光熱協同作用在其中的關鍵作用機制 。在光熱催化降解有機污染物研究中，清晰地觀察到有機污染物分子在催化劑表面的降解過程和化學鍵變化，為優化光熱催化降解工藝提供了有力支持。這些研究成果不僅深化了對光熱協同催化反應的科學認識，也為開發高效的光熱協同催化技術和催化劑提供了重要的理論指導。

（2）技術發展展望

未來，雙光路系統原位表征技術有望在多個方面取得進一步發展。在技術性能提升方面，將不斷提高系統的空間分辨率、時間分辨率和檢測靈敏度，以實現對更復雜反應體系中更細微變化的監測 。開發更高分辨率的雙光路成像技術，能夠在納米尺度上觀察催化劑表面反應位點的動態變化，為深入理解催化反應的微觀機制提供更清晰的圖像 。在拓展應用領域方面，該技術將不僅局限于現有的光熱協同催化反應研究，還將向其他新興領域拓展，如光電催化、光生物催化等。在光電催化領域，利用雙光路系統原位表征技術研究光生載流子與電化學反應之間的協同作用機制，有望推動高效光電催化體系的開發 。隨著科技的不斷進步，雙光路系統原位表征技術將與其他先進技術如人工智能、大數據分析等深度融合。通過人工智能算法對海量的原位表征數據進行快速分析和處理，能夠更準確地預測反應路徑和催化劑性能，加速新型光熱協同催化體系的研發進程 。雙光路系統原位表征技術具有廣闊的發展前景，將在能源、環境等領域發揮越來越重要的作用。

產品展示

      SSC-DPTC雙光路光熱催化系統，適用于光熱協同催化、光催化催化劑的評價及篩選，可用于光催化的反應動力學、反應歷程等方面的研究。主要應用到高溫光熱催化反應，光熱協同催化，具體可用于半導體材料的合成燒結、催化劑材料的制備、催化劑材料的活性評價、光解水制氫、光解水制氧、二氧化碳還原、氣相光催化、甲醛氣體的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等領域。

      SSC-DPTC雙光路光熱催化系統（<5MPa）為一套用于完成催化劑活性評價及篩選的固定床光熱反應裝置，適用于氣體、液體或氣液同時進料；氣固、液固、氣液固反應，能夠實現溫度、氣相流量、液相流量的自動控制，反應溫度能夠實現程序控制升溫（線性升溫），通過程序升溫設定實驗溫度的升溫時間和保溫時間，配合GC等分析儀器對不同壓力、溫度下的實驗產物進行階段性在線檢測分析。

系統優勢：

1)系統中的減壓系統，可與反應氣鋼瓶直接連接，管路配有比例卸荷閥、高精度壓力表及壓力傳感器，所有溫度控制點、壓力監測點均配有超溫、超壓報警，自動聯鎖保護。

2)進料系統，通入不同的氣體時，可在流量系數表選擇或輸入對應的氣體流量系數，實現氣體種類的多樣性和準確性。

3)夾層控溫標氣模塊，耐壓管體內甲苯、乙醇等反應液體，通入反應氣或惰性氣體進入模塊，將ppm級的有效氣體帶入反應器中，通過水浴循環水機控制模塊溫度進而控制氣體的濃度；從而大大降低實驗成本，解決標氣貴的難題。

4)恒壓系統，配合低壓、高壓雙壓力系統使用，根據實驗壓力選擇對應的壓力系統，為催化劑提供穩定精準的、穩定的實驗環境。

5)系統控制全部采用PLC軟件自動化控制，實時監控反應過程，自動化處理數據，并提供全套實驗方案。屏幕采用工控觸屏PLC，可以根據需求隨時更改使用方案。鑫視科shinsco提供氣相色譜儀、液相色譜儀、電化學工作站、TPR、TPD、SPV、TPV、拉曼等測試分析儀器。

6)系統集進料系統、恒壓系統、穩流系統、預熱系統、反應系統、產物收集系統、PLC控制系統于一體。