一、引言

      催化反应在化学工业、能源转化和环境保护等领域起着至关重要的作用。传统的催化过程主要依赖热能驱动，但单一的热能驱动存在能量利用效率有限、反应选择性不足等问题。近年来，随着光催化技术的发展，光能与热能的协同作用在催化领域展现出巨大的潜力。光能与热能共驱催化通过巧妙地结合两种能量形式，实现了对催化反应的高效调控，为解决传统催化过程中的难题提供了新的思路。本文将深入探讨光能与热能共驱催化的机制，并综述其在不同领域的应用进展。

二、光能与热能共驱催化的机制

（一）光生载流子与热活化的协同作用

      在光催化过程中，半导体催化剂吸收光能后，价带中的电子跃迁到导带，形成光生电子 - 空穴对。这些光生载流子具有较高的反应活性，能够参与氧化还原反应。而热能的引入可以提高反应物分子的动能，增加其与催化剂表面的碰撞频率，同时促进反应物分子的吸附和活化。当光能与热能共同作用时，光生载流子的产生和热活化过程相互促进。一方面，热能可以加速光生电子 - 空穴对的分离，减少其复合几率，从而提高光催化效率；另一方面，光生载流子的存在可以降低反应的活化能，使得在较低的温度下即可实现高效的催化反应。例如，在 TiO₂ 光催化降解有机污染物的过程中，适当升高温度可以显著提高降解速率，这是由于热活化促进了有机物分子在催化剂表面的吸附，同时光生载流子的高效分离和利用增强了氧化还原反应的效率。

（二）表面等离子体共振与热效应的协同

      对于金属纳米颗粒催化剂，当入射光的频率与金属纳米颗粒表面自由电子的振荡频率相匹配时，会产生表面等离子体共振（SPR）效应。SPR 效应不仅能够增强催化剂对光的吸收，还会产生局部高温区域，形成热效应。这种局部高温可以进一步促进催化反应的进行，同时与光能产生协同作用。例如，在金纳米颗粒修饰的 TiO₂ 催化剂中，SPR 效应引起的局部热效应可以提高反应物分子的活化能，同时增强光生载流子的产生和分离效率，从而显著提高光催化产氢效率。此外，表面等离子体共振产生的热效应还可以调节催化剂的表面结构和电子状态，进一步优化催化性能。

（三）热激发与光激发的能量传递

      在一些复合催化剂体系中，热能和光能可以通过能量传递的方式实现协同作用。例如，在荧光分子与催化剂的复合体系中，荧光分子吸收光能后跃迁到激发态，然后通过非辐射跃迁将能量传递给催化剂，使催化剂处于热激发状态。这种热激发状态的催化剂具有更高的反应活性，能够促进催化反应的进行。同时，催化剂在热激发过程中释放的能量又可以反馈给荧光分子，增强其光能吸收和能量传递效率，形成一个良性的协同循环。这种能量传递机制在光催化有机合成反应中具有重要的应用价值，能够显著提高反应的产率和选择性。

三、光能与热能共驱催化的应用

（一）能源转化领域

1. 光热协同催化分解水制氢

      分解水制氢是解决能源危机和环境污染问题的重要途径之一。传统的光催化分解水制氢效率较低，主要受到光生载流子复合率高和反应活化能高的限制。光能与热能共驱催化技术为提高分解水制氢效率提供了新的途径。例如，研究人员开发了一种基于 WO₃ / Co₃O₄ 的光热协同催化剂，在模拟太阳光照射下，通过调节温度实现了光能与热能的协同作用。结果表明，该催化剂的产氢速率显著高于单一光催化或热催化体系。这是由于在光热协同作用下，WO₃ 吸收光能产生光生载流子，Co₃O₄ 作为助催化剂不仅促进了光生载流子的分离，还通过热活化作用降低了水分解反应的活化能，从而实现了高效的产氢过程。

2. 光热协同催化二氧化碳还原

      将二氧化碳转化为可再生燃料和化学品是实现碳循环和缓解温室效应的重要策略。光能与热能共驱催化在二氧化碳还原反应中具有独特的优势。例如，利用铜基光热催化剂在光照和加热条件下实现了二氧化碳向甲醇的高效转化。在该体系中，光能激发铜纳米颗粒产生表面等离子体共振效应，不仅增强了对二氧化碳的吸附和活化，还产生了局部热效应，提高了反应速率。同时，热能的引入可以促进中间体的转化和产物的脱附，从而提高反应的选择性和产率。研究表明，与单一的光催化或热催化相比，光热协同催化二氧化碳还原的甲醇产率提高了数倍。

（二）环境保护领域

1. 光热协同催化降解有机污染物

      工业废水中含有大量的有机污染物，如染料、农药和 pharmaceuticals 等，这些污染物具有毒性高、难降解等特点，对生态环境和人类健康造成了严重威胁。光能与热能共驱催化技术在降解有机污染物方面具有高效、彻底的优点。例如，采用 ZnO /g - C₃N₄ 复合催化剂在可见光照射和加热条件下对罗丹明 B 染料进行降解。结果表明，光热协同作用下的降解速率明显高于单一光催化或热催化体系。这是因为 ZnO 具有良好的光催化活性，g - C₃N₄ 能够有效分离光生载流子，同时热能的引入促进了染料分子在催化剂表面的吸附和反应中间体的氧化分解，从而实现了对有机污染物的高效去除。

2. 光热协同催化处理挥发性有机化合物（VOCs）

      挥发性有机化合物是大气污染的主要来源之一，其治理一直是环境保护领域的研究热点。光能与热能共驱催化技术可以在较低的温度下实现对 VOCs 的高效催化氧化，具有能耗低、效率高等优点。例如，研究人员设计了一种负载型贵金属（如 Pt、Pd）的光热催化剂，在紫外光照射和低温（如 100 - 150℃）条件下对苯、甲苯等 VOCs 进行催化氧化。结果表明，光热协同作用下的 VOCs 转化率显著高于单一热催化体系，且贵金属的用量可以大幅减少。这是由于紫外光激发贵金属纳米颗粒产生表面等离子体共振效应，产生的局部热效应和活性氧物种（如・OH、・O₂⁻）共同促进了 VOCs 的氧化分解反应。

（三）化学合成领域

1. 光热协同催化有机合成反应

      在有机合成中，光能与热能共驱催化可以实现温和条件下的高效合成反应，减少副反应的发生，提高产物的选择性。例如，在光热协同作用下，利用 TiO₂ 催化剂实现了苯甲醇的氧化反应生成苯甲醛。传统的热催化氧化苯甲醇需要在较高的温度（如 200℃以上）和氧化剂存在下进行，而光热协同催化可以在较低的温度（如 80℃）和可见光照射下实现高效转化，且苯甲醛的选择性高达 90% 以上。这是由于光生空穴和热活化共同作用，促进了苯甲醇的氧化反应，同时抑制了深度氧化产物的生成。

2. 光热协同催化选择性加氢反应

      选择性加氢反应在精细化工和制药工业中具有重要的应用价值。光能与热能共驱催化可以通过调节光能和热能的比例，实现对加氢反应选择性的精确调控。例如，在光热协同作用下，使用 Pd / C 催化剂对 α,β - 不饱和醛进行选择性加氢生成不饱和醇。研究发现，在较低的温度和适当的光照强度下，催化剂对不饱和醇的选择性显著提高，而在单一热催化条件下则容易发生过度加氢生成饱和醇。这是因为光能的引入可以改变催化剂表面的电子状态和氢吸附行为，从而调节加氢反应的路径和选择性。

四、挑战与展望

（一）当前面临的挑战

      尽管光能与热能共驱催化技术取得了显著的研究进展，但仍面临一些挑战。首先，催化剂的设计和制备是关键问题之一。如何构建具有高效光吸收、良好热稳定性和高催化活性的复合催化剂体系，仍然需要深入研究。其次，光能与热能的协同作用机制尚不完全明确，缺乏系统的理论模型来指导催化剂的设计和反应条件的优化。此外，反应体系的热管理和光能利用率也是需要解决的重要问题。在实际应用中，如何有效地将光能转化为热能并均匀地传递到催化剂表面，以及如何避免过热导致催化剂失活，仍然需要进一步的技术创新。

（二）未来的发展展望

      未来，光能与热能共驱催化技术的发展将主要集中在以下几个方面。一是开发新型的催化剂材料，如金属 - 半导体异质结、多孔材料和纳米复合材料等，通过合理的结构设计和元素掺杂，提高催化剂的光热协同催化性能。二是深入研究光能与热能的协同作用机制，利用先进的表征技术（如原位光谱、分子动力学模拟等）揭示反应过程中的关键中间体和能量传递路径，建立完善的理论模型。三是优化反应体系的设计，开发高效的光热转换装置和反应器，提高光能和热能的利用率，实现催化反应的规模化应用。此外，结合人工智能和机器学习技术，对催化剂的设计和反应条件进行智能优化，将有望加速光能与热能共驱催化技术的发展和应用。

五、结论

      光能与热能共驱催化通过巧妙地结合两种能量形式，实现了对催化反应的高效调控，在能源转化、环境保护和化学合成等领域展现出广阔的应用前景。尽管该技术目前仍面临一些挑战，但随着催化剂设计、作用机制研究和反应体系优化的不断深入，相信光能与热能共驱催化技术将在未来的绿色化学和可持续发展中发挥更加重要的作用，为解决全球能源和环境问题提供新的有力工具。

产品展示

      SSC-SOEC80电热协同催化剂评价系统是一种结合电场和热场协同作用的固体氧化物电解池（SOEC）实验平台，用于高效电解H₂O/CO₂制取H₂/CO，是SOFC的逆向反应。该系统通过精确控制温度、电压和气体组成，研究电热耦合效应对电解性能的影响，并优化催化剂材料和操作参数。本SOEC评价系统设计科学、功能全面，能够满足从材料研究到系统集成的多种测试需求。通过高精度控制和多功能测试模块，可为SOEC的性能优化与商业化应用提供可靠的数据支持。

      光电热多场耦合的催化在环境治理（如高效降解污染物）、能源转换（如CO2还原、水分解）和化工合成中有潜力。例如，在CO2还原中，光提供激发能，电帮助电子传递，热促进反应物活化，三者结合可能提高产物选择性和反应速率；光热耦合电合成氨。光电热催化代表了多能量场协同催化的前沿方向，未来将在绿色化学和碳中和领域发挥重要作用。

  SOEC系统优势：

1、研究电热协同作用对SOEC电解效率的影响，优化催化剂材料和操作参数（温度、电压）。

2、比较不同催化剂（如Ni-YSZ与掺杂Ce/Co的催化剂）在电解H₂O/CO₂中的性能。

3、探究温度（600–800°C）和电压（0.5–2V）对电流密度、法拉第效率及稳定性的影响。

4、分析电化学阻抗谱（EIS）以揭示反应动力学机制。

5、通过温度-电压协同调控、多尺度表征及长期稳定性测试，系统揭示电热催化在SOEC中的作用机制。

6、引入原位高温拉曼光谱，实时追踪催化剂动态行为。

7、 “热-电协同因子”量化电热耦合效应强度。

8、为高效电解CO₂制合成气（H₂/CO）或绿氢提供实验与理论依据。