一、引言

      在全球气候变化的严峻挑战下，实现碳中和已成为国际社会的广泛共识和紧迫任务。碳中和，即通过各种手段使二氧化碳的排放量与吸收量达到平衡，从而有效遏制全球气温上升的趋势。这不仅是应对环境危机的关键举措，更是推动全球经济向绿色、可持续方向转型的重要契机。在众多实现碳中和的技术路径中，光热催化技术以其独特的优势和广阔的应用前景，逐渐成为科研领域的研究热点。

      光热催化技术巧妙地将光催化和热催化两种技术的优势相结合，形成了一种高效的能量转换和化学反应加速体系。光催化利用光能激发催化剂表面的电子跃迁，产生具有高活性的光生载流子，这些载流子能够参与并促进化学反应的进行。然而，传统光催化存在反应效率较低、太阳光谱利用率有限等问题。热催化则通过升高温度，增加反应物分子的能量，使其更容易克服反应的活化能垒，从而加快反应速率。但热催化往往需要消耗大量的能源，且在高温条件下容易引发副反应。光热催化技术通过巧妙的设计，实现了光和热的协同作用，既利用光生载流子的高活性来降低反应的活化能，又借助热场提高反应物分子的扩散速率和反应活性，从而显著提升了整体的催化效率和能量利用效率。

      从全球范围来看，各国都在积极布局和推进碳中和相关的研究与实践。许多发达国家凭借其先进的科研实力和雄厚的资金支持，在光热催化技术的基础研究和应用开发方面取得了显著进展。例如，欧盟通过一系列的科研项目，大力推动光热催化技术在能源领域的应用，旨在减少对传统化石能源的依赖，提高能源的可持续性。美国则在材料科学和纳米技术的基础上，不断探索新型光热催化剂的研发，力求在光热催化技术的关键核心环节取得突破。发展中国家也不甘落后，中国在 “双碳” 目标的引领下，加大了对光热催化技术的研发投入，建立了多个产学研联合创新平台，加速技术的产业化进程。印度、巴西等国家也根据自身的资源优势和发展需求，积极开展光热催化技术在农业废弃物处理、生物质能源转化等领域的应用研究。

      随着全球对碳中和目标的关注度不断提高，光热催化技术的研究和应用也迎来了前所未有的机遇。一方面，各国政府纷纷出台相关政策，加大对清洁能源技术研发的支持力度，为光热催化技术的发展提供了良好的政策环境和资金保障。另一方面，社会各界对环境保护和可持续发展的意识不断增强，对清洁能源和绿色技术的需求日益旺盛，这为光热催化技术的商业化推广创造了广阔的市场空间。此外，材料科学、纳米技术、人工智能等多学科的快速发展，为光热催化技术的创新提供了强大的技术支撑。新型光热材料的不断涌现，使得光热催化剂的性能得到了显著提升；纳米技术的应用，能够精确调控催化剂的微观结构，进一步优化其催化活性；人工智能技术则可以通过大数据分析和模拟计算，加速新型催化剂的筛选和反应条件的优化，大大提高了研发效率。在这样的背景下，深入研究光热催化技术的机遇、挑战与全球实践，对于推动该技术的进一步发展，助力全球碳中和目标的实现具有重要的现实意义。

二、光热催化技术原理

2.1 光催化与热催化基础

      光催化的核心原理基于半导体材料的光电特性。当具有合适能量的光子照射到半导体光催化剂（如常见的 TiO₂、ZnO 等）表面时，半导体价带中的电子会吸收光子能量，被激发跃迁到导带，从而在价带留下空穴，形成光生电子 - 空穴对。这些光生载流子具有较强的氧化还原能力，能够与吸附在催化剂表面的反应物分子发生氧化还原反应。以水分解制氢为例，光生电子具有还原性，可与水中的 H⁺结合生成氢气；光生空穴具有氧化性，能与 OH⁻反应生成氧气。然而，在实际应用中，光生电子 - 空穴对容易发生复合，导致光催化效率降低。同时，光催化剂对太阳光谱的响应范围有限，大部分太阳能无法被有效利用，这极大地限制了光催化技术的发展。

      热催化是工业化学合成中广泛应用的技术，其原理是通过升高反应温度，增加反应物分子的热运动能量，使反应物分子更容易克服反应的活化能垒，从而加速化学反应的进行。在热催化反应中，反应物分子首先吸附在催化剂表面，然后在高温作用下，分子内的化学键发生断裂和重组，进而转化为产物分子。例如，在合成氨工业中，氮气和氢气在高温（通常为 400 - 500℃）、高压（15 - 30 MPa）以及铁基催化剂的作用下反应生成氨气。热催化虽然能够实现较高的反应速率，但高温高压条件不仅导致能耗大幅增加，还容易引发副反应，降低目标产物的选择性。此外，在苛刻的反应条件下，催化剂的稳定性也面临严峻挑战，容易出现失活现象。

2.2 光热协同作用机制

      光热协同催化技术巧妙地融合了光催化与热催化的优势，通过光生载流子与局域热场的协同作用，显著提升了催化反应的效率和性能。其协同作用机制主要体现在以下几个方面：

1.光 - 热耦合效应

光吸收与热转换：光热材料（如贵金属纳米颗粒、MXene、黑磷等）具有优异的光吸收性能，当它们吸收光能后，可通过局域表面等离子体共振（LSPR）或晶格振动等方式将光能高效转化为热能，从而在催化剂表面形成局域高温微环境，温度可达 100 - 500℃。这种局域高温环境能够有效加速化学反应的进行，同时降低对外部高温能源的依赖。

热促进电荷分离：热能的引入可以降低光生电子 - 空穴对的复合率。例如，在 TiO₂光催化剂中，热振动能够促进电子向 Ti³⁺缺陷位点迁移，延长光生载流子的寿命，使其有更多机会迁移至催化剂表面参与反应，从而提高光催化效率。

2.协同作用路径

光驱动吸附活化：光生电子能够降低反应物在催化剂表面的吸附能，促进反应物分子的吸附与活化。例如，在 CO₂还原反应中，光生电子可以使 CO₂在 Cu₂O 表面的吸附能力增强，从而提高 CO₂的活化效率，为后续的还原反应奠定基础。

热驱动键断裂：局域高温环境能够削弱反应物分子中的化学键，如在 CO₂还原反应中，高温可有效削弱 C = O 键，在 VOCs 降解反应中，高温能削弱 C - H 键，从而加速反应进程，提高反应速率。

热力学与动力学协同：光热协同效应能够同时降低反应的活化能和热力学能垒。相关研究表明，在甲烷生成反应中，光热协同作用可使反应的 ΔG 降低 30 - 50%（Nature Catalysis, 2023），这意味着反应在更温和的条件下就能朝着生成目标产物的方向进行，既提高了反应的热力学可行性，又加快了反应的动力学速率。

2.3 光热催化的独特优势

      与单一的光催化或热催化相比，光热协同催化具有诸多显著优势，使其在能源转化与环境治理等领域展现出巨大的应用潜力。

1.提高反应效率：光热协同催化能够充分发挥光催化和热催化的协同作用，显著提高反应速率和转化率。在二氧化碳加氢制甲醇的反应中，光热协同催化体系下甲醇的产率相较于单纯的光催化或热催化有大幅提升。这是因为光生载流子的参与降低了反应的活化能，而局域热场则加快了反应物分子的扩散速率和反应活性，两者协同作用，极大地促进了甲醇的生成。

2.拓宽反应底物范围：一些在单一催化模式下难以发生反应的底物，在光热协同催化条件下能够顺利进行反应。光热协同作用改变了反应的路径和活化能，使原本化学性质稳定、难以被活化的底物能够参与反应。这为开发新型化学反应路径、拓展化学合成的范围提供了新的可能。

3.降低能量消耗：光催化过程利用太阳能等清洁能源，减少了对传统化石能源的依赖。同时，由于光热协同作用，热催化部分可以在相对较低的温度下进行反应，降低了对外部高温能源的需求，从而显著降低了整个反应过程的能量消耗。这种节能特性对于实现可持续能源转化和工业生产具有重要意义。

4.提升催化剂稳定性：在光热协同催化体系中，合理的光热条件设计有助于减少催化剂因高温或光照导致的失活现象。相较于传统热催化的高温条件，光热协同催化的局域热场更为温和，能够降低催化剂因烧结、积碳等原因造成的失活风险。此外，光生载流子的存在还可能对催化剂表面的活性位点起到一定的保护和修复作用，进一步提升催化剂的稳定性和使用寿命。

      光热催化技术通过独特的光热协同作用机制，克服了传统光催化和热催化的局限性，展现出了高效、节能、拓宽反应底物范围以及提升催化剂稳定性等诸多优势，为实现碳中和目标提供了强有力的技术支撑。随着对其作用机制的深入研究和技术的不断创新，光热催化技术有望在更多领域实现广泛应用和突破。

三、光热催化在碳中和中的机遇

3.1 能源领域的应用潜力

1.高效制氢：氢气作为一种清洁、高效的能源载体，在未来碳中和能源体系中占据着核心地位。光热催化分解水制氢为可持续制氢提供了一条极具潜力的途径。传统的电解水制氢需要消耗大量电能，成本较高；而光催化制氢虽利用太阳能，但效率较低。光热催化制氢巧妙地结合了光和热的作用，能够显著提高制氢效率。通过优化光热催化剂的组成和结构，以及调控反应条件，可有效促进水的分解反应。例如，某些新型光热催化剂在模拟太阳光照射下，能够在相对较低的温度下实现高效水分解，产氢速率和太阳能 - 氢能转换效率均得到大幅提升。这不仅有助于缓解当前氢气生产对化石能源的依赖，还能降低制氢成本，推动氢能在交通、储能等领域的广泛应用，加速能源转型进程。

2.二氧化碳转化：将二氧化碳转化为有价值的化学品或燃料，是实现碳循环利用、缓解温室气体排放压力的关键策略。光热催化在二氧化碳转化领域展现出独特优势。一方面，光生载流子能够活化二氧化碳分子，降低其转化的反应能垒；另一方面，局域热场有助于促进反应的进行，提高反应速率和产物选择性。研究表明，在光热催化条件下，二氧化碳可被高效转化为甲醇、甲酸、甲烷等多种化学品和燃料。其中，二氧化碳加氢制甲醇反应备受关注，通过合理设计光热催化剂的活性位点和载体结构，能够实现甲醇的高选择性合成。这不仅为二氧化碳的资源化利用提供了有效途径，还能生产出具有经济价值的化工产品，实现环境效益与经济效益的双赢。

3.2 环境治理方面的贡献

1.有机污染物降解：随着工业化和城市化的快速发展，有机污染物对环境的危害日益严重。光热协同催化在有机污染物降解领域具有显著优势。在光照和适当温度的协同作用下，光热催化剂能够产生丰富的活性氧物种，如羟基自由基（・OH）、超氧自由基（・O₂⁻）等。这些活性氧物种具有极强的氧化能力，能够将有机污染物（如染料、农药、抗生素等）彻底分解为二氧化碳和水等无害小分子。与传统的光催化或热催化降解方法相比，光热协同催化能够更有效地提高污染物的降解速率和矿化程度，缩短处理时间，减少二次污染的风险。例如，在处理印染废水中的有机染料时，光热催化技术能够在较短时间内实现染料的高效脱色和降解，使废水达到排放标准，为工业废水处理提供了一种高效、绿色的解决方案。

2.温室气体减排：除了二氧化碳，甲烷等其他温室气体对全球气候变化也有着重要影响。光热催化技术在甲烷等温室气体减排方面同样具有潜在应用价值。例如，通过光热催化氧化反应，可将甲烷转化为二氧化碳和水，从而降低大气中甲烷的浓度。此外，光热催化还可用于处理工业废气中的其他温室气体，如氧化亚氮（N₂O）等。通过开发高效的光热催化剂和优化反应条件，能够实现对这些温室气体的选择性催化转化，将其转化为无害或低危害的物质，为全球温室气体减排做出贡献。

3.3 工业过程中的节能减排

1.化工合成：在传统化工合成过程中，许多反应需要在高温、高压等苛刻条件下进行，这不仅导致能耗高、设备投资大，还容易产生大量副产物。光热催化技术的应用有望改变这一现状。通过利用光热协同作用，可在相对温和的条件下实现一些化工合成反应，降低反应温度和压力，减少能源消耗和设备成本。例如，在某些有机合成反应中，光热催化能够促进反应物分子的活化和选择性转化，提高目标产物的收率，同时减少副反应的发生。这不仅有助于实现化工生产的节能减排，还能提高产品质量和经济效益，推动化工行业向绿色、可持续方向发展。

2.材料生产：材料生产过程通常也是能源消耗和碳排放的重点领域。光热催化技术在材料生产中的应用可以实现节能减排和绿色制造。在陶瓷材料的烧结过程中，传统方法需要高温长时间处理，能耗巨大。采用光热催化辅助烧结技术，可利用光热效应在较低温度下实现陶瓷材料的快速烧结，缩短烧结时间，降低能源消耗。此外，在一些纳米材料的制备过程中，光热催化能够精确控制反应过程，提高材料的合成效率和质量，减少生产过程中的废弃物排放，实现材料生产的绿色化和可持续发展。

光热催化技术在能源领域的高效制氢和二氧化碳转化、环境治理方面的有机污染物降解和温室气体减排以及工业过程中的节能减排等多个方面展现出了巨大的机遇和潜力。通过充分发挥这些优势，光热催化技术将为实现碳中和目标提供重要的技术支撑，推动全球能源、环境和工业领域的可持续发展。

四、光热催化面临的挑战

4.1 光热转换效率问题

1.材料性能限制：目前，光热转换效率的提升面临着材料性能方面的瓶颈。尽管已经开发出多种光热材料，如贵金属纳米颗粒、MXene、黑磷等，但它们在光吸收范围、光热转换效率以及稳定性等方面仍存在不足。贵金属纳米颗粒虽具有优异的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，能够高效吸收光能并转化为热能，但其成本高昂，且在高温、高湿度等复杂环境下容易发生团聚和氧化，导致性能下降。MXene 和黑磷等新型二维材料具有良好的光热性能和独特的电子结构，但它们的合成工艺复杂，大规模制备困难，且在空气中的稳定性较差，限制了其实际应用。此外，大多数光热材料对太阳光谱的响应范围较窄，无法充分利用太阳能的全光谱能量，这也在一定程度上制约了光热转换效率的进一步提高。

2.能量损耗途径：在光热催化过程中，存在多种能量损耗途径，影响了光热转换效率。一方面，光生载流子的复合是导致能量损耗的重要原因之一。光生电子 - 空穴对在产生后，若不能及时迁移到催化剂表面参与反应，就容易发生复合，将吸收的光能以热能或光子的形式释放出去，降低了光催化效率。另一方面，光热材料吸收光能产生的热能在传递过程中也会存在损耗。由于催化剂与反应体系之间存在热阻，部分热能无法有效传递给反应物分子，导致能量利用率降低。此外，在一些复杂的光热催化体系中，还可能存在光散射、光反射等现象，进一步造成光能的损失，影响光热转换效率。

4.2 催化剂稳定性难题

1.结构变化：在光热协同催化过程中，催化剂的结构容易受到光照、高温等因素的影响而发生变化，从而导致活性降低。长时间的光照可能引发催化剂表面的光腐蚀现象，使催化剂的晶体结构发生破坏，活性位点减少。高温条件下，催化剂的颗粒容易发生烧结和团聚，导致比表面积减小，活性位点被覆盖，从而降低了催化剂的活性和选择性。在一些光热催化二氧化碳还原反应中，金属催化剂在高温和高浓度二氧化碳气氛下，容易发生晶相转变和表面重构，导致催化剂对二氧化碳的吸附和活化能力下降，影响反应性能。

2.中毒现象：催化剂中毒也是影响其稳定性的重要因素之一。反应体系中的杂质或副产物可能会吸附在催化剂的活性位点上，形成不可逆的吸附物种，阻碍反应物分子与活性位点的接触，导致催化剂中毒失活。

五、总结​​

      光热催化技术通过​​光-热-化学能​​协同转换，为绿色化学与可持续发展提供了新路径，但其商业化仍需解决效率、稳定性与成本问题。未来，​​多学科交叉​​（材料科学、反应工程、AI）将是突破技术瓶颈的关键。

产品展示

      将太阳能转化为热能，并将其转化为化学能的催化反应，光热催化反应。根据能量转换路径以及热能和电子激发起到催化反应作用程度的不同，将光热催化分类为光辅助热催化，热辅助光催化以及光热协同催化。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。