在全球对清洁能源需求日益增长的背景下，光热 - 电化学耦合技术作为一种创新性的能源转化与利用技术，逐渐成为科研与产业领域的研究热点。这项技术通过将光热效应与电化学过程有机结合，突破了传统单一技术的局限，为高效能源转换、储能及环境治理等提供了新的解决方案。

一、技术原理​​

      光热 - 电化学耦合技术的核心在于协同光热效应和电化学过程。光热效应是指材料吸收光能后转化为热能，使体系温度升高；而电化学过程则涉及电子在电极与电解质之间的转移，实现化学能与电能的相互转化。在该耦合技术中，光热效应产生的热量能够显著影响电化学过程的反应速率和效率。一方面，温度升高可以加快电解质中离子的迁移速度，降低反应的活化能，促进电化学反应的进行；另一方面，光热过程中产生的热载流子，可与电化学体系中的电子相互作用，优化电荷传输与分离效率 。例如，在光热辅助的电解水过程中，光热材料吸收太阳能并转化为热能，提高电解槽内的温度，使得水分子的分解反应更容易发生，从而提升氢气的生成效率。

1. ​​光热-电化学协同机制​​

​​（1）光热效应驱动反应​​：光热材料（如贵金属纳米颗粒、碳基复合材料）吸收光能后产生局部高温热点（>500°C），降低反应活化能，加速中间体脱附（如水分解中的OH⁻脱附）。

​​（2）电化学调控反应路径​​：通过外加电场或电流调控催化剂表面电子态，增强反应选择性（如优先生成H₂而非H₂O）。

​​（3）能量互补​​：光热效应减少电化学过程所需的电能输入，电化学调控优化光热催化效率，形成双向协同。

2. ​​能量转换路径​​

​​（1）光→热→电​​：光热材料吸收光能→产生热量→通过热电材料（如Bi₂Te₃）转化为电能。

​​（2）光→电→热​​：光伏电池发电→驱动电化学电解→利用焦耳热辅助反应（如电解水制氢）。

​​（3）光热-电化学耦合​​：光热效应直接增强电化学反应速率（如光热辅助析氧反应OER）。

二、关键组件与材料​

      实现光热 - 电化学耦合技术，关键组件与材料的选择至关重要。光热材料需要具备高效的光吸收能力和良好的热稳定性，常见的光热材料包括金属纳米颗粒（如金、银纳米颗粒）、碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）以及半导体材料（如二氧化钛、硫化镉）等。这些材料能够在宽光谱范围内吸收光能，并将其高效转化为热能。在电化学组件方面，电极材料的性能直接影响电化学反应的效率。例如，在光热 - 电催化二氧化碳还原反应中，采用具有高催化活性的过渡金属基电极材料，结合光热效应提升反应温度，可显著提高二氧化碳转化为燃料（如一氧化碳、甲烷）的产率。此外，电解质的选择也不容忽视，合适的电解质应具有良好的离子导电性、化学稳定性以及与光热材料和电极材料的兼容性 。

三、典型应用场景​​

1. ​​太阳能驱动水分解制氢​​

​​案例​​：BiVO₄/g-C₃N₄异质结+Pt助催化剂，在AM 1.5G光照下，光热辅助OER效率提升4倍（电流密度>20 mA/cm²）。

​​优势​​：光热效应降低OER过电位（从~300 mV降至150 mV）。

2. ​​光热-电化学CO₂还原​​

​​系统设计​​：Cu/TiO₂光热催化剂耦合Cu基电催化剂，在400 nm光照下，CO选择性达85%（电能输入减少30%）。

​​机理​​：光热产生的局部高温促进CO₂活化为*CO中间体。

3. ​​废水处理与能源回收​​

​​光热-Fenton体系​​：Fe₃O₄@CQDs纳米颗粒在可见光下产生活性氧物种（·OH），同时通过电化学回收H₂（能量回收率>50%）。

​​应用场景​​：抗生素废水处理（矿化率>95%）。

4. ​​工业余热回收​​

​​热电-电化学联用​​：工业废热驱动塞贝克发电器发电，同时电解水制氢（综合能效>60%）。

四、关键技术挑战​​

1. ​​材料与界面优化​​

​​光热-电化学协同效率低​​：光热产生的热量难以定向传递至电化学活性位点。

​​材料稳定性差​​：贵金属纳米颗粒易团聚（如Au@TiO₂在长期光照下烧结）。

​​界面电荷传输阻抗高​​：光催化剂与电极间的肖特基势垒阻碍载流子分离。

2. ​​系统集成难题​​

​​能量匹配失衡​​：光伏发电与电化学负载的电压/电流不匹配（如太阳能电池电压波动影响OER效率）。

​​热管理困难​​：局部高温易导致催化剂烧结或电解质分解（如PEM电解槽在>80℃时膜降解）。

3. ​​规模化与成本​​

​​贵金属依赖​​：IrO₂、Pt等电催化剂成本高昂（占系统总成本>50%）。

​​放大效应​​：实验室级系统（<10 W）难以直接放大至工业级（kW级）。

​​五、优化策略与解决方案​​

1. ​​新材料开发​​

​​非贵金属光热催化剂​​：Cu@ZIF-8、Fe-N-C复合材料替代IrO₂/Pt。

​​多功能的异质结设计​​：如BiVO₄/MoS₂/g-C₃N₄（光吸收+电荷分离+热管理一体化）。

​​动态响应材料​​：温敏型水凝胶（PNIPAM）实时调节光热-电化学反应路径。

2. ​​系统设计优化​​

​​原位重构技术​​：利用电化学极化诱导催化剂表面重构（如Co₃O₄→CoOOH提升OER活性）。

​​热管理模块​​：集成微型热管或相变材料（PCM）导热带隙热量，防止催化剂烧结。

​​智能调控系统​​：机器学习算法动态调节光强、温度、电位（如MIT的Catalyst Design数据库）。

3. ​​工程化突破​​

​​模块化反应堆设计​​：支持即插即用的光热-电化学单元（如10 kW级太阳能驱动制氢系统）。

​​成本削减策略​​：3D打印催化剂载体降低贵金属用量（如Au负载量从10%降至1%）。

​​六、未来发展方向​​

1. ​​跨学科融合​​

​​光热催化-人工光合作用​​：耦合CO₂还原与H₂O氧化的全反应体系（太阳能-化学能转换效率>15%）。

​​光热-电化学微系统​​：集成微流控芯片与柔性电极，开发便携式光热催化装置（如现场制氢）。

2. ​​人工智能驱动优化​​

​​数据驱动的材料筛选​​：利用AI预测最优光热催化剂组成（如MIT的Catalyst Design数据库）。

​​实时反馈控制​​：结合原位表征数据动态优化反应条件（如温度、pH、光强）。

3. ​​绿色规模化应用​​

​​工业级示范项目​​：开发100 kW级太阳能光热-电化学制氢系统，验证长期稳定性与经济性。

​​碳中和场景集成​​：耦合CO₂捕获与光热还原，实现负碳排放（如直接空气捕集CO₂并转化为甲醇）。

​​七、总结​​

      光热-电化学耦合技术通过​​光热效应增强反应动力学​​与​​电化学调控优化反应路径​​的双向协同，在能源转换与环境修复领域展现出颠覆性潜力。其核心优势在于：

​​能量效率提升​​：光热辅助降低电能输入需求（如制氢能耗<30 kWh/kg H₂）。

​​反应选择性增强​​：温度与电位协同调控产物分布（如CO₂还原中CH₄选择性>70%）。

​​多场景适应性​​：可扩展至海水淡化、CO₂资源化、固氮合成氨等领域。

未来需重点突破材料稳定性、系统能效比及规模化成本瓶颈，推动该技术从实验室走向工业化应用，助力碳中和与能源转型。

产品展示

      SSC-PTCR光致热催化反应系统，实现了双光源照射，提高了光致热的能量输出，加快光催化实验的进度，可以实时监测催化剂温度；配套的质量流量PLC控制系统，实现各种反应气体的任意匹配，更有利于实验的调整，配方的研发。

      SSC-PTCR光致热催化反应系统，配合控温和磁力搅拌器，直接升级为釜式光热催化系统，可以实现一机多用，多种体系下评价催化剂的活性。

产品优势：

1)、自主研发控温系统，杜绝温度过冲；

2)、配置蓝宝石晶体窗口，具有高强度、高硬度，耐高温、耐磨擦、耐腐蚀，透光性能好、电绝缘性能优良；

3)、内部磁力搅拌；

4)、内含粉末催化剂放置平台，气体与催化剂充分接触；

5)、釜体内部即可实现气固反应，也可以实现气液反应；

6)、实现在高压（<5MPa）高温(<250℃)下的材料催化；

7)、法兰双线密封技术，解决密封泄漏问题；

8)、配置高质量针型阀、三通球阀、压力表，实现了灵活控制釜体压力；

9)、配置安全卸荷阀，给实验安全环境又添了一道安全；

10)、釜内配置有报警，当出现超温、超压情况时，自动切断加热电源，让操作更安全；

11)、反应釜还采用双线槽柔性密封，良好的密封结构解决了搅拌存在的泄露问题，使整个介质和搅拌部件处于密封的状态中进行工作，因此更适合用于各种易燃易爆、贵重介质及其它渗透力极强的化学介质进行搅拌反应。