在催化技術(shù)的發(fā)展歷程中，光催化與熱催化始終是兩大核心方向，各自在能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，兩者均存在難以突破的技術(shù)瓶頸 —— 光催化依賴特定波長的光能輸入，量子效率低且反應(yīng)速率受限；熱催化則需要高溫條件驅(qū)動，能耗高且易導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活。在 “雙碳" 目標與綠色技術(shù)革命的推動下，一種融合兩者優(yōu)勢的新型催化技術(shù) ——光致熱催化應(yīng)運而生，成為跨越光催化與熱催化的關(guān)鍵橋梁，為解決能源與環(huán)境領(lǐng)域的復(fù)雜問題提供了全新思路。

一、光致熱催化的核心原理：光能與熱能的協(xié)同轉(zhuǎn)化

      光致熱催化的本質(zhì)的是通過 “光 - 熱 - 催化" 的協(xié)同作用，打破傳統(tǒng)催化技術(shù)的局限。其核心過程可分為三個關(guān)鍵步驟：

      首先是光熱轉(zhuǎn)換，催化劑通過吸收太陽光（尤其是近紅外光等能量密度較高的波段），將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使催化劑表面溫度快速升高至熱催化所需的反應(yīng)溫度區(qū)間（通常為 200-800℃）；其次是光激發(fā)作用，部分特定結(jié)構(gòu)的催化劑（如等離子體金屬納米顆粒、半導(dǎo)體 - 金屬異質(zhì)結(jié)）在光照下會產(chǎn)生光生載流子（電子 - 空穴對），這些載流子可直接參與催化反應(yīng)，降低反應(yīng)活化能；最后是熱催化強化，光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱能不僅為反應(yīng)提供了必要的能量，還能激活催化劑表面的活性位點，提升反應(yīng)速率，同時光生載流子的存在可抑制熱催化過程中的副反應(yīng)，提高目標產(chǎn)物的選擇性。

      這種 “光熱耦合" 機制，既規(guī)避了光催化對光能的單一依賴，又降低了熱催化對外部高溫加熱的需求，實現(xiàn)了 “1+1>2" 的催化效果。例如，在 CO?還原反應(yīng)中，傳統(tǒng)光催化的 CO 生成速率僅為幾 μmol?g?1?h?1，傳統(tǒng)熱催化需在 400℃以上才能達到可觀活性，而光致熱催化在模擬太陽光照射下，即可實現(xiàn) CO 生成速率超 100μmol?g?1?h?1，且產(chǎn)物選擇性接近 100%。

二、光致熱催化與傳統(tǒng)催化技術(shù)的差異：從 “單一驅(qū)動" 到 “協(xié)同驅(qū)動"

      為更清晰地理解光致熱催化的橋梁作用，可通過對比其與光催化、熱催化的核心特征，看其如何彌補兩者的不足：

      從對比可見，光致熱催化的核心優(yōu)勢在于 **“協(xié)同驅(qū)動"**：以太陽光為清潔能量來源，通過光熱轉(zhuǎn)換實現(xiàn) “自加熱"，無需外部高溫設(shè)備，解決了熱催化的高能耗問題；同時，光生載流子的參與提升了量子效率，避免了光催化 “低效、依賴特定光源" 的短板。這種特性使其既能應(yīng)用于光催化擅長的常溫反應(yīng)（如污染物降解），又能勝任熱催化主導(dǎo)的高溫反應(yīng)（如 CO?還原、甲烷重整），真正實現(xiàn)了對兩種傳統(tǒng)技術(shù)的 “跨界融合"。

三、光致熱催化的應(yīng)用場景：從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化

      憑借 “光熱協(xié)同" 的獨特優(yōu)勢，光致熱催化已在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化潛力，成為解決能源轉(zhuǎn)化與環(huán)境治理難題的關(guān)鍵技術(shù)：

1. 能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域：高效利用可再生能源

      在太陽能制氫方面，傳統(tǒng)光催化分解水制氫面臨 “產(chǎn)氫速率低、需犧牲劑" 的問題，而光致熱催化可通過光熱轉(zhuǎn)換將催化劑溫度提升至 300-500℃，同時利用光生載流子激活水分子，實現(xiàn) “光熱協(xié)同制氫"。例如，中科院團隊開發(fā)的 Au/TiO?@碳納米管復(fù)合催化劑，在模擬太陽光照射下，光致熱轉(zhuǎn)換效率達 85%，產(chǎn)氫速率達 560μmol?g?1?h?1，是傳統(tǒng)光催化的 10 倍以上。

      在 CO?資源化利用方面，光致熱催化可在中低溫下實現(xiàn) CO?與 H?、CH?的反應(yīng)，生成 CO、CH?OH 等燃料。美國斯坦福大學(xué)的研究表明，使用 Ni 基光致熱催化劑，在太陽光照射下，CO?甲烷化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率可達 92%，產(chǎn)物 CH?的選擇性超 95%，且反應(yīng)過程無需外部加熱，能耗僅為傳統(tǒng)熱催化的 1/5。

2. 環(huán)境治理領(lǐng)域：高效降解難處理污染物

      對于工業(yè)廢水中的持久性有機污染物（如苯酚、抗生素），傳統(tǒng)光催化降解速率慢，而熱催化需高溫條件難以應(yīng)用于水溶液體系。光致熱催化可通過光熱轉(zhuǎn)換使催化劑表面溫度升高至 80-150℃（水溶液體系耐受范圍內(nèi)），同時光生載流子產(chǎn)生羥基自由基（?OH），加速污染物降解。例如，清華大學(xué)開發(fā)的 Bi?WO?/ 石墨烯光致熱催化劑，在可見光照射下，1 小時內(nèi)即可將苯酚降解率從傳統(tǒng)光催化的 35% 提升至 98%，且催化劑可重復(fù)使用 10 次以上，穩(wěn)定性優(yōu)異。

3. 工業(yè)催化領(lǐng)域：替代傳統(tǒng)高能耗工藝

      在化工行業(yè)的 “甲烷重整制合成氣" 工藝中，傳統(tǒng)熱催化需在 800-1000℃高溫下進行，能耗占整個工藝的 40% 以上。光致熱催化可利用太陽光實現(xiàn) “自加熱"，將反應(yīng)溫度降至 500-600℃，同時提升甲烷轉(zhuǎn)化率至 90% 以上。目前，沙特阿美石油公司已啟動光致熱催化甲烷重整的中試項目，預(yù)計未來可降低該工藝能耗 30%-40%。

四、挑戰(zhàn)與展望：推動光致熱催化走向成熟

      盡管光致熱催化展現(xiàn)出巨大潛力，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，仍需突破三大核心挑戰(zhàn)：

      一是高效光熱催化劑的設(shè)計。目前多數(shù)催化劑的光熱轉(zhuǎn)換效率（尤其是對可見光、近紅外光的吸收）仍不足 70%，且光生載流子復(fù)合率較高。未來需通過精準調(diào)控催化劑的形貌、晶面、異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如半導(dǎo)體 - 金屬 - 碳材料復(fù)合體系），提升光熱轉(zhuǎn)換效率與載流子分離效率。

      二是反應(yīng)機理的深入研究。當(dāng)前對光致熱催化中 “光 - 熱 - 催化" 的協(xié)同作用機制仍不明確，例如光能與熱能如何共同影響反應(yīng)活化能、光生載流子的作用路徑等。需結(jié)合原位表征技術(shù)（如原位 XRD、原位 XPS、原位 Raman）與理論計算（DFT、分子動力學(xué)模擬），揭示反應(yīng)機理，為催化劑設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

      三是規(guī)模化反應(yīng)裝置的開發(fā)。實驗室研究多采用小尺寸反應(yīng)器（毫升級），而產(chǎn)業(yè)化需擴大至立方米級，如何保證太陽光在大體積反應(yīng)器內(nèi)的均勻照射、催化劑的高效回收與循環(huán)利用，仍是亟待解決的問題。

      展望未來，隨著材料科學(xué)、能源工程與催化化學(xué)的交叉融合，光致熱催化有望在以下方向取得突破：一是開發(fā) “全光譜響應(yīng)" 的光熱催化劑，實現(xiàn)對太陽光的高效利用；二是構(gòu)建 “光致熱催化 - 產(chǎn)物分離" 一體化裝置，降低產(chǎn)業(yè)化成本；三是將光致熱催化與儲能技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)夜間或陰天的持續(xù)反應(yīng)。

      作為跨越光催化與熱催化的橋梁，光致熱催化不僅為催化技術(shù)的發(fā)展提供了新范式，更為實現(xiàn) “碳達峰、碳中和" 目標提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。未來，隨著技術(shù)的不斷成熟，光致熱催化有望在能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理、工業(yè)催化等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，成為推動綠色低碳發(fā)展的核心技術(shù)之一。

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)。