在能源轉化、環境治理等領域，催化技術一直扮演著關鍵角色。傳統催化反應往往面臨反應效率低、能耗高、選擇性差等問題，而光致熱協同催化反應系統通過巧妙整合光能與熱能的優勢，為解決這些難題提供了新的方向。深入理解該系統的構建原理與多場耦合機制，是推動其工業化應用的核心前提。

一、光致熱協同催化反應系統的構建原理

      光致熱協同催化反應系統的核心邏輯，是通過 “光 - 熱 - 催化" 三者的協同作用，突破單一光催化或熱催化的性能瓶頸。其構建需圍繞核心組件設計與協同作用邏輯兩大維度展開，確保光能高效轉化為熱能并與催化活性位點精準匹配。

（一）核心組件的功能與設計

      光致熱協同催化系統主要由光致熱材料、催化活性組分、反應載體 / 基底三部分構成，各組件的功能定位與設計細節直接決定系統性能。

1. 光致熱材料：光能到熱能的轉化核心

      光致熱材料需具備強寬光譜吸收能力（尤其是可見光與近紅外光）和高光熱轉換效率，其作用是將外界輸入的光能快速轉化為局部熱能，為催化反應提供溫度條件。常見的光致熱材料包括貴金屬納米顆粒（如 Au、Ag、Pt，通過表面等離激元共振效應增強光吸收）、碳基材料（如石墨烯、碳納米管，憑借高比表面積和共軛結構實現廣譜吸收）、半導體復合材料（如 TiO?/ 黑磷異質結，通過缺陷工程調控光吸收范圍）。

      設計時需重點優化材料的形貌（如納米片、核殼結構）與尺寸（如貴金屬納米顆粒直徑控制在 10-50nm 以表面等離激元效應），確保光吸收效率＞80%，光熱轉換效率＞60%，同時避免材料團聚導致的性能衰減。

2. 催化活性組分：反應位點的精準調控

       催化活性組分是實現反應物吸附、活化與產物脫附的核心，需與光致熱材料形成協同作用 —— 既需利用光致熱材料提供的局部高溫提升反應動力學，又需通過自身電子結構調控增強反應選擇性。

      活性組分的設計需遵循 “匹配性原則"：若目標反應為氧化還原反應（如 CO 氧化、VOCs 降解），可選擇過渡金屬氧化物（如 Co?O?、MnO?）或單原子催化劑（如 Pt 單原子，原子利用率＞90%），利用其可變價態實現電子轉移；若為能源轉化反應（如光熱催化制氫、CO?還原），則需選擇具有高導電性的活性組分（如 Ni 納米顆粒、Cu 單原子），降低電荷轉移阻力。此外，活性組分的負載量需精準控制（通常為 0.5%-5%），過量會導致活性位點團聚，不足則無法滿足反應需求。

3. 反應載體 / 基底：結構支撐與傳質優化

      載體的作用不僅是固定光致熱材料與活性組分，更需通過多孔結構優化傳質效率（如反應物擴散、產物脫附），同時避免局部過熱導致的催化劑燒結。常見的載體包括介孔 SiO?（孔徑 2-50nm，比表面積＞500m2/g）、Al?O?（化學穩定性高，適合高溫反應）、金屬有機框架（MOFs，可通過孔徑調控實現反應物選擇性吸附）。

      設計時需確保載體的孔隙結構與反應需求匹配：對于小分子反應（如 H?O 分解），選擇介孔載體以降低擴散阻力；對于大分子反應（如長鏈烷烴脫氫），則需選擇大孔載體（孔徑＞50nm）避免傳質限制。同時，載體表面需進行改性（如羥基化、氨基功能化），增強與光致熱材料、活性組分的相互作用，提升系統穩定性。

（二）協同作用的實現邏輯

      光致熱協同催化并非 “光催化 + 熱催化" 的簡單疊加，而是通過 “能量協同" 與 “反應協同" 實現 1+1＞2 的效果，其核心邏輯可分為三個步驟：

1. 光能捕獲與熱轉化：光致熱材料吸收外界光源（如太陽光、氙燈）后，通過兩種機制實現熱轉化 —— 對于貴金屬材料，表面等離激元共振（SPR）導致自由電子集體振蕩，能量通過電子 - 聲子耦合轉化為晶格熱能；對于碳基或半導體材料，光子激發電子從價帶躍遷至導帶，電子與空穴復合時釋放的能量轉化為熱能。此過程中，局部溫度可在數秒內升至 100-500℃（具體取決于光強與材料特性），為催化反應提供 “局部高溫環境"。

2. 熱驅動的反應動力學提升：局部高溫通過兩種方式加速反應 —— 一方面，提升反應物分子的動能，降低反應活化能（如熱催化 CO 氧化的活化能可從 80kJ/mol 降至 40kJ/mol 以下）；另一方面，促進活性組分表面的吸附 - 脫附平衡，減少產物堆積導致的催化劑失活。同時，高溫還可調控活性組分的電子結構（如金屬納米顆粒的費米能級偏移），增強對反應物的活化能力。

3. 光 - 熱協同的選擇性調控：相較于傳統熱催化（依賴溫度調控選擇性，易導致副反應），光致熱協同系統可通過 “光調控" 與 “熱調控" 的結合實現高選擇性。例如，在 CO?光熱催化還原中，光能可激發活性組分產生光生電子（增強 CO?的活化），而熱能則提升反應速率，兩者協同使 CO 選擇性從 50% 提升至 90% 以上；在 VOCs 降解中，光致熱材料產生的局部高溫可優先活化易分解的 VOCs 分子，同時光生自由基（如?OH、?O??）可抑制 CO 等副產物生成，實現礦化。

二、光致熱協同催化反應系統的多場耦合機制

      光致熱協同催化系統涉及光場、熱場、電場（電子場）、化學場等多場的復雜相互作用，多場耦合機制是理解系統性能調控的關鍵。各場的作用形式與耦合效應如下：

（一）光場與熱場的耦合：能量傳遞的核心路徑

      光場與熱場的耦合是系統的基礎，其核心是 “光生熱 - 熱助光" 的雙向作用，具體表現為兩種機制：

1. 光生熱的局部溫度梯度效應：光致熱材料吸收光能后，由于材料內部的光吸收不均（如表面與內部的光強差異），會形成局部溫度梯度（溫差可達 50-100℃）。這種梯度不僅能驅動反應物向高溫區（活性位點）擴散，還能通過 “熱泳效應" 加速產物脫附，減少活性位點占用。例如，在光熱催化制氫中，TiO?/ 石墨烯復合材料表面的溫度梯度可使 H?的脫附速率提升 30%，顯著提高催化活性。

2. 熱助光的載流子分離增強：對于同時具備光催化活性的系統（如半導體 - 光致熱材料復合體系），熱場可通過兩種方式增強光生載流子分離 —— 一方面，高溫降低電子 - 空穴的復合能壘，延長載流子壽命（如 BiVO?/ 碳納米管體系中，溫度從 25℃升至 150℃時，載流子壽命從 1.2ns 延長至 3.5ns）；另一方面，熱驅動的晶格振動可促進載流子向活性組分轉移，減少體相復合。這種 “熱助光" 效應使系統在弱光條件下仍能保持高催化效率，拓寬了光源適用范圍。

（二）熱場與電場（電子場）的耦合：反應動力學的關鍵調控

      熱場與電場（電子場）的耦合主要體現在 “熱驅動電子轉移" 與 “電子結構調控"，直接影響反應活化能與選擇性：

1. 熱驅動的電子轉移加速：高溫會增強光致熱材料與活性組分之間的電子轉移效率。例如，在 Au/Co?O?復合體系中，當溫度升至 200℃時，Au 的表面等離激元電子可通過熱激活快速轉移至 Co?O?的導帶，使 Co3?還原為 Co2?，形成更多氧空位（活性位點），從而將 CO 氧化速率提升 2 倍以上。此外，熱場還能降低電子轉移的勢壘，如在 Ni / 石墨烯體系中，溫度每升高 50℃，電子轉移電阻降低 15%-20%。

2. 電子結構的熱致調控：熱場可改變活性組分的電子結構，進而調控反應選擇性。例如，在 Cu 基催化劑用于 CO?光熱還原時，低溫（＜150℃）下 Cu 的 d 帶中心較高，易吸附 CO?生成 CO；而高溫（＞200℃）下，熱致晶格膨脹使 Cu 的 d 帶中心降低，更易吸附 H 原子，生成 CH?。這種 “熱致電子結構變化" 為反應選擇性的精準調控提供了可能。

（三）化學場與多場的耦合：反應過程的動態平衡

      化學場（包括反應物濃度場、產物濃度場、酸堿度場等）與光場、熱場的耦合，決定了反應的動態平衡，其核心是 “場驅動的傳質與反應協同"：

1. 濃度場與光熱場的協同傳質：光熱場產生的局部高溫會改變反應物與產物的擴散系數（如溫度從 25℃升至 200℃時，CO?的擴散系數提升 3-4 倍），而濃度場的梯度（如反應物在載體孔隙中的濃度差異）則會驅動分子向活性位點遷移。例如，在 MOFs 負載的光致熱催化劑中，MOFs 的孔徑調控使 CO?濃度在活性位點附近提高 5-10 倍，同時光熱場加速 CO?擴散，兩者協同使 CO?還原速率提升一個數量級。

2. 酸堿度場的多場響應：反應過程中生成的酸堿產物（如 H?、OH?）會改變局部酸堿度（pH），而 pH 的變化又會影響光致熱材料的光吸收與活性組分的電子結構。例如，在光熱催化 H?O 分解中，H?的生成會使局部 pH 降低，增強 TiO?的光吸收（pH 從 7 降至 3 時，光吸收邊紅移 50nm），同時促進 H?在活性位點的還原；而在 VOCs 降解中，OH?的生成會抑制活性組分的燒結，提升系統穩定性。這種 “酸堿度 - 光熱場" 的反饋調節，是維持反應持續進行的關鍵。

三、系統優勢與應用前景

      光致熱協同催化反應系統的核心優勢在于低能耗、高活性、寬適用性：相較于傳統熱催化，其可利用太陽能等清潔能源，降低能耗 30%-50%；相較于單一光催化，其通過局部高溫突破熱力學限制，使反應速率提升 1-3 個數量級。目前，該系統已在多個領域展現出應用潛力：

• 能源轉化：光熱催化制氫（利用太陽能將 H?O 分解為 H?，效率可達 15%-20%）、CO?還原（將 CO?轉化為 CO、CH?等燃料，選擇性＞90%）；

• 環境治理：VOCs 降解（如甲苯、甲醛礦化率＞95%）、水體污染物去除（如抗生素、重金屬離子的降解率＞90%）；

• 化工合成：精細化學品制備（如光熱催化苯乙烯氧化生成苯甲醛，選擇性＞98%）、低碳烷烴脫氫（如丙烷脫氫制丙烯，轉化率提升 20%-30%）。

四、總結與展望

      光致熱協同催化反應系統通過 “光 - 熱 - 催化" 的組件協同與多場耦合，突破了傳統催化技術的性能瓶頸，其構建原理的核心是 “組件功能匹配" 與 “能量 - 反應協同"，多場耦合機制則揭示了光、熱、電、化學場之間的動態作用規律。未來，該領域的發展需聚焦三個方向：一是開發高效光致熱 - 活性組分一體化材料，減少界面電荷損失；二是構建多場耦合的精準調控模型，實現反應性能的定向優化；三是推動系統的規模化應用，解決工業化過程中的傳質、散熱與穩定性問題。隨著技術的不斷突破，光致熱協同催化有望成為能源與環境領域的核心技術之一。

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。