在当前全球对能源和环境问题高度关注的背景下，光热协同催化作为一种极具潜力的技术，为实现高效的能源转化和环境净化提供了新途径。光热协同催化能够同时利用光和热的能量，发挥两者的协同效应，显著提升催化反应的效率和选择性，在 CO₂转化、污染物降解等诸多领域展现出广阔的应用前景 。然而，深入理解光热协同催化反应的内在机制，对于进一步优化催化剂性能、提升反应效率至关重要。这在很大程度上依赖于先进的表征技术，以实现在反应过程中对催化剂和反应中间体的实时监测。​

      原位表征技术能够在接近实际反应条件下，对催化剂的结构变化、反应中间体的生成与转化进行直接观察，为揭示反应机理提供了关键信息。传统的原位表征技术在面对复杂的光热协同催化体系时，往往受到多种因素的干扰，难以准确区分来自不同来源的信号，导致对反应路径的解析存在困难。双光路系统的原位表征技术应运而生，该技术通过独特的光路设计，能够有效消除背景干扰，实现对反应过程中微弱信号的精确捕捉，为深入研究光热协同催化反应路径提供了强有力的手段。本文将详细介绍基于双光路系统的原位表征技术的原理、特点及其在揭示光热协同催化反应路径方面的应用与成果。​

一、光热协同催化反应概述​

（1）光热协同催化的优势​

光热协同催化融合了光催化和热催化的优势，克服了两者单独使用时的局限性。热催化通常需要较高的温度来激活反应，这不仅消耗大量能源，还容易引发副反应，导致催化剂失活。例如在甲烷重整工艺中，镍基催化剂在 800 - 900℃、2 - 3MPa 的苛刻条件下，极易因结焦而失活 。而光催化虽能在室温下利用光能启动反应，但存在反应效率低、选择性差以及太阳光谱利用率低等问题 。光热协同催化通过光热双重激活驱动反应，一方面，光生载流子能够参与热催化步骤，降低反应的能耗，提升反应速率，如 Ag 纳米结构在光照下，乙烯环氧化速率可提升 3 倍，同时能耗降低 ；另一方面，适度加热能够提升光催化效率，如采用 Au - ZnO/TiO₂在 200℃下，甲烷高选择性氧化为乙烷的活性可提升 10 倍 。这种协同效应使得光热协同催化在温和条件下即可实现高效的化学反应，为能源和化工领域带来了新的机遇。​

（2）反应路径的复杂性​

光热协同催化反应路径极为复杂，涉及光激发、热激活、反应物吸附、中间体形成与转化以及产物脱附等多个过程。在光激发过程中，催化剂吸收光子产生电子 - 空穴对，这些载流子在催化剂表面迁移并参与反应。热激活则能够促进反应物分子的扩散和活化，加速反应动力学过程。反应物分子在催化剂表面的吸附位点和吸附方式对反应路径有着重要影响，不同的吸附态可能导致不同的反应中间体生成。例如在 CO₂光热还原反应中，CO₂分子可能以多种吸附态存在，如线性吸附的 CO₂⁰、弯曲吸附的 η¹ - CO₂等，这些不同的吸附态会进一步引发不同的反应路径，生成 CO、CH₄、CH₃OH 等多种产物 。反应中间体的转化过程也受到光、热以及催化剂表面性质等多种因素的共同作用，使得反应路径呈现出高度的复杂性。准确解析这些复杂的反应路径，对于优化光热协同催化体系、提高目标产物的选择性和产率具有关键意义。​

二、双光路系统原位表征技术原理​

（1）双光路系统设计​

双光路系统原位表征技术通过巧妙的光路设计，实现了对反应过程中信号的精确检测与分析。该系统主要由光源、分束器、样品池、探测器以及数据处理系统等部分组成 。光源发出的光经过分束器后，被分为两束光，一束为参考光，另一束为探测光。参考光直接进入探测器，作为信号比对的基准。探测光则经过特殊设计的样品池，与反应体系中的催化剂和反应物相互作用，携带了反应过程中的各种信息。样品池的设计至关重要，它需要满足在高温、高压以及复杂反应气氛下的光学性能要求，同时要保证反应的原位性。例如，在一些用于气固反应的双光路原位红外光谱池中，采用了耐高温、耐高压且对红外光具有良好透过性的材料制作池体，并且在池体内部设置了精确的温度控制和气体流通装置，以模拟实际的反应条件 。经过样品池后的探测光与参考光在探测器中进行比对，通过分析两束光之间的差异，能够有效消除背景干扰，提取出与反应相关的微弱信号。​

（2）消除干扰与信号增强机制​

在传统的原位表征技术中，信号往往受到多种干扰因素的影响，如反应气体、物理吸附分子以及热辐射等。这些干扰信号与目标信号混在一起，使得对反应过程的准确监测变得困难。双光路系统原位表征技术通过参考光的引入，能够有效地消除这些干扰。当探测光与反应体系相互作用时，反应气体、物理吸附分子等产生的背景吸收信号同样会影响参考光和探测光。在探测器进行信号比对时，这些共同的背景干扰信号会被相互抵消，从而突出了与反应过程直接相关的信号 。对于热辐射干扰，由于参考光和探测光在相同的环境中传播，受到的热辐射影响基本相同，通过比对两束光的强度变化，可以消除热辐射对信号的干扰。双光路系统还能够通过信号增强机制提高检测的灵敏度。例如，在一些基于双光路的红外光谱技术中，利用干涉原理，使得两束光在探测器中发生干涉，当目标信号存在时，干涉条纹会发生特定的变化，通过对干涉条纹变化的精确测量，能够显著增强信号强度，从而实现对微弱反应信号的检测 。这种消除干扰与信号增强机制的结合，使得双光路系统原位表征技术在复杂的光热协同催化反应体系中具有独特的优势。​

三、双光路系统在光热协同催化反应研究中的应用​

（1）实时监测反应中间体​

在光热协同催化反应中，反应中间体的识别与监测是揭示反应路径的关键环节。双光路原位红外光谱技术在这方面发挥了重要作用。以 CO₂光热还原反应为例，研究人员利用双光路原位红外光谱仪，能够实时监测到反应过程中 CO₂吸附态的变化以及反应中间体的生成 。在反应初期，通过光谱可以观察到 CO₂分子在催化剂表面的吸附峰，随着光热反应的进行，出现了新的吸收峰，对应着反应中间体如甲酸盐（HCOO⁻）、一氧化碳（CO）等的生成。通过对这些吸收峰的强度、位置以及随时间变化的规律进行分析，能够推断出 CO₂分子的活化过程以及反应中间体之间的转化路径 。双光路系统能够有效消除反应气体和背景噪声的干扰，使得对这些反应中间体微弱信号的监测更加准确可靠。在一些复杂的催化体系中，可能同时存在多种反应中间体，且它们的信号相互重叠，传统的表征技术难以区分。而双光路原位红外光谱技术通过其高分辨率和抗干扰能力，能够对这些重叠信号进行解析，为深入理解反应路径提供了详细的信息 。​

（2）解析催化剂表面结构变化​

光热协同催化反应过程中，催化剂的表面结构会发生动态变化，这些变化与催化活性和选择性密切相关。双光路 X 射线吸收精细结构（XAFS）光谱技术能够在原位条件下，对催化剂表面原子的配位环境、氧化态以及电子结构等进行精确测量，从而揭示催化剂表面结构的变化 。在研究负载型金属催化剂在光热催化反应中的结构变化时，利用双光路 XAFS 技术发现，在光照和加热的协同作用下，金属活性中心的配位环境发生了明显改变。例如，金属原子与载体之间的化学键长可能会发生变化，导致金属活性中心的电子云密度改变，进而影响催化剂对反应物的吸附和活化能力 。通过对不同反应阶段催化剂表面结构变化的连续监测，能够建立起催化剂结构与反应性能之间的关联。当催化剂表面形成特定的活性位点结构时，反应对目标产物的选择性显著提高。这种对催化剂表面结构变化的深入解析，为设计和优化高性能的光热协同催化剂提供了重要依据 。​

（3）研究光热协同效应机制​

双光路系统原位表征技术为研究光热协同效应机制提供了有力手段。通过同时监测光激发和热激活过程中催化剂和反应体系的变化，能够深入理解光热协同作用的本质。在光热催化甲烷重整反应中，利用双光路的光热联用技术，研究人员发现光生载流子与热激活的反应物分子之间存在协同作用 。在光照条件下，催化剂表面产生的电子 - 空穴对能够促进甲烷分子的 C - H 键活化，而热激活则加速了反应物和产物分子在催化剂表面的扩散过程。通过双光路系统对光生载流子的寿命、迁移速率以及热激活过程中分子动力学参数的测量，建立了光热协同作用的动力学模型 。该模型表明，光热协同效应并非光催化和热催化的简单叠加，而是两者之间存在复杂的相互作用，如光生载流子能够降低热催化反应的活化能，热激活则能够促进光生载流子的分离和传输，从而显著提高反应效率 。这种对光热协同效应机制的深入研究，有助于进一步优化光热协同催化反应体系，提高能源利用效率。​

四、研究实例与成果​

（1）实例一：CO₂光热还原制燃料​

在 CO₂光热还原制燃料的研究中，某研究团队利用双光路原位红外光谱技术和光热质谱联用技术，对反应过程进行了全面深入的研究 。他们设计合成了一种新型的负载型等离子体金属 - 半导体复合催化剂，该催化剂在光热协同作用下能够高效地将 CO₂转化为甲烷、一氧化碳等燃料。通过双光路原位红外光谱，实时监测到了 CO₂在催化剂表面的吸附和活化过程，以及反应中间体如甲酸盐、羰基物种的生成和转化 。在光照和加热的初期，观察到 CO₂分子在催化剂表面形成了多种吸附态，随着反应的进行，这些吸附态逐渐转化为甲酸盐中间体，随后甲酸盐进一步分解生成一氧化碳和甲烷。结合光热质谱技术对产物的实时检测，确定了 CO₂光热还原的主要反应路径 。该研究还发现，光热协同作用能够显著提高 CO₂的转化率和甲烷的选择性，相比于单纯的光催化或热催化反应，效率提升了数倍。通过对反应过程中光热协同效应机制的深入分析，揭示了等离子体金属在光激发下产生的热电子能够促进 CO₂的活化和还原，而半导体材料则有助于光生载流子的分离和传输，两者协同作用实现了高效的 CO₂光热还原反应 。​

（2）实例二：光热催化降解有机污染物​

针对日益严重的有机污染物环境污染问题，科研人员运用双光路系统的原位拉曼光谱技术和光热反应动力学测试，开展了光热催化降解有机污染物的研究 。他们制备了一种具有高效光热转换性能的纳米复合材料催化剂，用于降解废水中的有机染料污染物。双光路原位拉曼光谱能够实时监测催化剂表面有机污染物分子的吸附和降解过程中的化学键变化 。在光热催化反应开始后，通过拉曼光谱观察到有机染料分子的特征振动峰逐渐减弱，同时出现了一些新的中间产物的振动峰，表明有机染料分子在催化剂表面发生了逐步降解。通过对拉曼光谱信号强度随时间的变化进行分析，建立了有机污染物降解的动力学模型 。结合光热反应动力学测试，研究发现光热协同作用能够加速有机污染物分子的活化和氧化过程，提高降解反应速率。在一定的光强和温度条件下，该催化剂能够在短时间内将有机染料污染物降解至检测限以下，展现出良好的光热催化降解性能 。这项研究为有机污染物的高效治理提供了新的技术思路和理论依据。​

五、结论与展望​

（1）研究成果总结​

基于双光路系统的原位表征技术在揭示光热协同催化反应路径方面取得了显著成果。通过独特的光路设计和信号处理机制，有效消除了反应过程中的背景干扰，实现了对反应中间体、催化剂表面结构变化以及光热协同效应机制的实时、精准监测与解析 。在 CO₂光热还原制燃料、光热催化降解有机污染物等多个研究实例中，该技术成功地揭示了复杂的反应路径，为理解光热协同催化反应的内在机制提供了关键信息。确定了 CO₂光热还原过程中从反应物吸附、中间体生成到产物形成的详细反应步骤，以及光热协同作用在其中的关键作用机制 。在光热催化降解有机污染物研究中，清晰地观察到有机污染物分子在催化剂表面的降解过程和化学键变化，为优化光热催化降解工艺提供了有力支持。这些研究成果不仅深化了对光热协同催化反应的科学认识，也为开发高效的光热协同催化技术和催化剂提供了重要的理论指导。​

（2）技术发展展望​

未来，双光路系统原位表征技术有望在多个方面取得进一步发展。在技术性能提升方面，将不断提高系统的空间分辨率、时间分辨率和检测灵敏度，以实现对更复杂反应体系中更细微变化的监测 。开发更高分辨率的双光路成像技术，能够在纳米尺度上观察催化剂表面反应位点的动态变化，为深入理解催化反应的微观机制提供更清晰的图像 。在拓展应用领域方面，该技术将不仅局限于现有的光热协同催化反应研究，还将向其他新兴领域拓展，如光电催化、光生物催化等。在光电催化领域，利用双光路系统原位表征技术研究光生载流子与电化学反应之间的协同作用机制，有望推动高效光电催化体系的开发 。随着科技的不断进步，双光路系统原位表征技术将与其他先进技术如人工智能、大数据分析等深度融合。通过人工智能算法对海量的原位表征数据进行快速分析和处理，能够更准确地预测反应路径和催化剂性能，加速新型光热协同催化体系的研发进程 。双光路系统原位表征技术具有广阔的发展前景，将在能源、环境等领域发挥越来越重要的作用。​

产品展示

      SSC-DPTC双光路光热催化系统，适用于光热协同催化、光催化催化剂的评价及筛选，可用于光催化的反应动力学、反应历程等方面的研究。主要应用到高温光热催化反应，光热协同催化，具体可用于半导体材料的合成烧结、催化剂材料的制备、催化剂材料的活性评价、光解水制氢、光解水制氧、二氧化碳还原、气相光催化、甲醛气体的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等领域。

      SSC-DPTC双光路光热催化系统（<5MPa）为一套用于完成催化剂活性评价及筛选的固定床光热反应装置，适用于气体、液体或气液同时进料；气固、液固、气液固反应，能够实现温度、气相流量、液相流量的自动控制，反应温度能够实现程序控制升温（线性升温），通过程序升温设定实验温度的升温时间和保温时间，配合GC等分析仪器对不同压力、温度下的实验产物进行阶段性在线检测分析。

系统优势：

1)系统中的减压系统，可与反应气钢瓶直接连接，管路配有比例卸荷阀、高精度压力表及压力传感器，所有温度控制点、压力监测点均配有超温、超压报警，自动联锁保护。

2)进料系统，通入不同的气体时，可在流量系数表选择或输入对应的气体流量系数，实现气体种类的多样性和准确性。

3)夹层控温标气模块，耐压管体内甲苯、乙醇等反应液体，通入反应气或惰性气体进入模块，将ppm级的有效气体带入反应器中，通过水浴循环水机控制模块温度进而控制气体的浓度；从而大大降低实验成本，解决标气贵的难题。

4)恒压系统，配合低压、高压双压力系统使用，根据实验压力选择对应的压力系统，为催化剂提供稳定精准的、稳定的实验环境。

5)系统控制全部采用PLC软件自动化控制，实时监控反应过程，自动化处理数据，并提供全套实验方案。屏幕采用工控触屏PLC，可以根据需求随时更改使用方案。鑫视科shinsco提供气相色谱仪、液相色谱仪、电化学工作站、TPR、TPD、SPV、TPV、拉曼等测试分析仪器。

6)系统集进料系统、恒压系统、稳流系统、预热系统、反应系统、产物收集系统、PLC控制系统于一体。