光热催化技术为 CO2​ 转化提供了一条极具潜力的途径。本文介绍了一种创新的双光路光热催化体系，该体系巧妙地将光催化还原与热催化进行偶联。通过对相关原理的深入剖析，包括光生载流子的产生与传输、热催化降低反应能垒以及二者协同作用机制等，阐述了双光路设计在增强光吸收、促进载流子分离与迁移方面的独特优势。详细讨论了双光路光热催化体系中催化剂的设计与构建，以及其在提升 CO2​ 转化效率和产物选择性上的关键作用。综述研究进展后发现，双光路光热催化在 CO2​ 转化为高附加值化学品和燃料方面展现出卓越性能，相比传统单一路径催化模式，在 CO2​ 转化率和产物生成速率上有显著提升。本文为推动光热催化 CO2​ 转化技术的进一步发展和实际应用提供了新的思路与参考。

一、引言

      随着全球工业化进程的加速，大量化石燃料的燃烧导致大气中 CO2​ 浓度持续攀升，引发了一系列严峻的环境问题，如全球气候变暖、海平面上升等。因此，实现 CO2​ 的有效转化与利用已成为当今科研领域的研究热点之一。传统的 CO2​ 转化方法，如热催化转化通常需要高温高压条件，这不仅导致能耗过高，还对设备要求极为苛刻；而单纯的光催化 CO2​ 还原虽然利用了太阳能这一清洁能源，但存在光生载流子复合率高、光谱利用率低等问题，限制了其转化效率。

      光热催化技术作为一种新兴的催化模式，巧妙地融合了光催化和热催化的优势，为突破 CO2​ 转化的瓶颈带来了新的希望。在光热催化体系中，光激发产生的热载流子能够参与 CO2​ 的活化过程，同时光催化剂吸收光子能量后产生的非辐射弛豫可以形成局域热场，有效降低反应能垒。近年来，为了进一步提升光热催化 CO2​ 转化的效率，科研人员不断探索创新，其中双光路光热催化体系的提出备受关注。这种体系通过独特的光路设计，实现了光催化还原与热催化的深度偶联，在增强光吸收、促进载流子分离与迁移等方面展现出显著优势，从而极大地提高了 CO2​ 的转化效率和产物选择性。本文将对双光路光热催化 CO2​ 高效转化的相关原理、体系构建、研究进展以及面临的挑战与展望进行详细阐述。

二、光催化还原与热催化的基本原理

（1）光催化还原 CO2​ 原理

光催化还原 CO2​ 是利用光催化剂吸收特定波长的光子能量，使得催化剂价带中的电子获得足够能量跃迁到导带，从而在价带留下空穴，形成光生电子 - 空穴对。这些具有强氧化还原能力的光生载流子迁移到催化剂表面后，与吸附在表面的 CO2​ 分子发生反应。例如，光生电子能够将 CO2​ 逐步还原为 CO、CH4​、CH3​OH 等还原产物，而价带空穴则可以氧化反应体系中的电子供体（如水或其他有机牺牲剂）。以常见的光催化剂 TiO2​ 为例，在紫外光照射下，TiO2​ 吸收光子产生电子 - 空穴对，电子与吸附在催化剂表面的 CO2​ 反应，经过一系列复杂的中间步骤，将 CO2​ 还原为不同的产物。然而，在实际应用中，光催化还原 CO2​ 面临诸多挑战。光生电子 - 空穴对极易发生复合，导致其参与还原 CO2​ 反应的几率大幅降低，从而限制了光催化效率。此外，大多数光催化剂对太阳光谱的响应范围较窄，只能吸收特定波段的光，无法充分利用太阳能的全部能量，这也在一定程度上阻碍了光催化 CO2​ 还原技术的发展。

（2）热催化 CO2​ 原理

热催化 CO2​ 反应则是依靠催化剂的作用降低反应的活化能，使得反应物分子在相对较高的温度下更容易发生化学反应。当反应体系被加热时，反应物分子的能量增加，分子热运动加剧，从而更频繁地与催化剂表面的活性位点接触并发生吸附。在催化剂活性位点的作用下，反应物分子的化学键发生断裂和重组，进而转化为目标产物。例如，在传统的热催化 CO2​ 甲烷化反应中，通常采用镍基等催化剂，在高温（一般为 300−500∘C）条件下，CO2​ 和 H2​ 发生反应生成 CH4​ 和 H2​O。热催化过程中，反应温度对反应速率和产物选择性有着至关重要的影响。一般来说，升高温度可以加快反应速率，但同时也可能导致副反应的发生，降低目标产物的选择性。此外，热催化反应往往需要消耗大量的热能，这不仅增加了能源成本，还可能带来较高的碳排放，不符合可持续发展的理念。

三、双光路光热催化体系的设计与原理

（1）双光路设计思路

双光路光热催化体系的设计旨在充分利用光和热的协同作用，克服传统光催化和热催化的局限性。其核心思路是通过巧妙的光路布局，将光催化过程和热催化过程在空间上进行有效分离与整合。具体而言，一条光路主要用于激发光催化剂，产生光生载流子，实现 CO2​ 的光催化还原；另一条光路则聚焦于产生热效应，为热催化过程提供所需的热量，同时促进光生载流子的分离与迁移，增强光热协同效果。在一种典型的双光路光热催化反应器设计中，采用抛物面聚光器将太阳光聚焦到两个不同的反应区域。其中一个区域放置光催化剂，通过特定波长的光照射激发光催化反应；另一个区域则设置热催化剂或光热转换材料，利用光的热效应提升该区域的温度，实现热催化反应。两条光路的光线通过精心设计的反射镜和透镜系统进行引导和调控，确保光能量能够精准地作用于相应的反应区域，从而实现光催化还原与热催化的高效偶联。

（2）协同作用原理

在双光路光热催化体系中，光催化还原与热催化之间存在着复杂而紧密的协同作用机制。从光生载流子的角度来看，热效应能够显著促进光生电子从催化剂体相向表面的迁移过程。在热激发下，催化剂晶格振动加剧，这种振动为光生电子提供了额外的能量和驱动力，使其更容易克服内部阻力迁移到催化剂表面，从而增加了光生电子与吸附在表面的 CO2​ 分子发生反应的机会，有效抑制了光生电子 - 空穴对的复合。同时，热催化过程中产生的局域热场可以降低 CO2​ 分子在催化剂表面的吸附能和反应活化能。CO2​ 分子更容易吸附在催化剂活性位点上，并且其化学键在热激发下更容易发生断裂和重组，形成各种还原产物。例如，在光热协同催化 CO2​ 制甲醇的反应中，热效应使得 CO2​ 分子更容易吸附在催化剂表面并被活化，光生电子则为还原反应提供所需的电子，二者协同作用显著提高了甲醇的生成速率和选择性。此外，光催化过程中产生的光生载流子也能够影响热催化反应。光生电子和空穴可以改变催化剂表面的电荷分布和电子云密度，进而调节热催化剂表面活性位点的电子结构和化学活性，促进热催化反应的进行。

（3）增强光吸收与载流子分离

双光路设计在增强光吸收和促进载流子分离方面具有独特优势。一方面，通过合理选择不同波段的光源分别用于光催化和热催化光路，可以拓宽对太阳光谱的利用范围。例如，在光催化光路中采用对可见光响应良好的光催化剂，如 g−C3​N4​，利用可见光激发产生光生载流子；在热催化光路中使用能够吸收红外光的光热转换材料，如碳纳米材料，将红外光转化为热能，实现对不同波段光能量的高效利用。另一方面，双光路体系中的热效应可以进一步增强光吸收效果。热激发使得催化剂的能带结构发生微小变化，拓宽了其光吸收范围，提高了对光的吸收效率。在载流子分离方面，热场的存在除了促进光生电子迁移外，还可以在催化剂内部形成热梯度，这种热梯度能够产生额外的电场，与光生载流子的内建电场相互作用，进一步加速载流子的分离过程。此外，双光路设计还可以通过优化催化剂的结构和界面性质，促进载流子在不同催化剂之间的定向传输。例如，构建具有异质结结构的光催化剂和热催化剂复合体系，利用异质结界面处的能带匹配和电荷转移特性，实现光生载流子的快速分离和迁移，从而提高光热催化反应的整体效率。

四、双光路光热催化体系中催化剂的设计与构建

（1）光催化剂的选择与优化

在双光路光热催化体系中，光催化剂的性能直接影响光催化还原 CO2​ 的效率。因此，选择合适的光催化剂并对其进行优化至关重要。理想的光催化剂应具备以下特点：首先，具有较宽的光吸收范围，能够充分利用太阳光中的不同波段能量，如可见光和近红外光。目前，一些新型的半导体光催化剂，如铋基光催化剂（BiVO4​、Bi2​WO6​ 等）和有机 - 无机杂化光催化剂，在可见光区域表现出良好的光吸收性能。其次，光生载流子的分离效率要高。为了提高载流子分离效率，可以通过对光催化剂进行表面修饰、构建异质结结构等方法。例如，在 TiO2​ 表面负载贵金属纳米颗粒（如 Au、Pt 等），利用贵金属与 TiO2​ 之间的肖特基势垒，促进光生电子向贵金属表面转移，从而有效抑制电子 - 空穴对的复合。此外，调控光催化剂的晶体结构和形貌也可以改善其光催化性能。具有纳米结构的光催化剂，如纳米管、纳米线、纳米片等，由于其较大的比表面积和特殊的表面原子排列，能够增加光吸收面积和表面活性位点数量，有利于 CO2​ 的吸附和光催化反应的进行。

（2）热催化剂的特性与开发

热催化剂在双光路光热催化体系中承担着降低反应活化能、促进热催化反应进行的重要角色。对于热催化 CO2​ 转化反应，热催化剂需要具备高催化活性、良好的选择性和稳定性。在众多热催化剂中，过渡金属基催化剂（如镍基、钴基、铜基催化剂等）在 CO2​ 加氢反应中表现出较好的性能。例如，镍基催化剂在 CO2​ 甲烷化反应中具有较高的活性和选择性，但在高温下容易发生烧结和积碳现象，导致催化剂失活。因此，开发新型热催化剂或对现有热催化剂进行改进成为研究热点。一种有效的方法是通过添加助剂来改善热催化剂的性能。助剂可以改变催化剂的电子结构、表面酸性和碱性等性质，从而提高催化剂的活性、选择性和稳定性。在镍基催化剂中添加稀土元素（如 Ce、La 等），能够增强催化剂的抗积碳性能和热稳定性，同时促进 CO2​ 的吸附和活化。此外，采用新型的催化剂载体也可以提升热催化剂的性能。具有高比表面积、良好热稳定性和适宜孔结构的载体，如介孔二氧化硅、活性炭等，能够有效分散活性组分，增加活性位点数量，同时提供良好的传质通道，有利于反应物和产物的扩散。

（3）光热协同催化剂的构建策略

为了实现光催化还原与热催化的高效协同，构建具有良好光热协同性能的催化剂至关重要。目前，主要的构建策略包括复合催化剂的制备和催化剂界面工程。复合催化剂是将光催化剂和热催化剂通过物理或化学方法复合在一起，形成具有双功能的催化体系。例如，将 TiO2​ 光催化剂与镍基热催化剂复合，可以采用溶胶 - 凝胶法、浸渍法等方法制备。在这种复合体系中，TiO2​ 负责光催化产生电子 - 空穴对，镍基催化剂则利用热效应促进 CO2​ 的加氢反应，二者通过界面处的电荷转移和能量传递实现协同作用。催化剂界面工程则是通过调控光催化剂与热催化剂之间的界面性质，优化光生载流子的传输和热催化反应的进行。通过控制复合过程中的条件，如温度、时间、反应物浓度等，精确调控光催化剂与热催化剂之间的界面结构和相互作用强度，构建出具有高效电荷传输通道和良好热传导性能的界面。此外，还可以在界面处引入特殊的官能团或中间层，进一步促进光热协同效应。在光催化剂与热催化剂之间引入一层具有高电子传导性的碳纳米材料中间层，能够有效加速光生电子在二者之间的传输，提高光热催化反应效率。

五、双光路光热催化 CO2​ 转化的研究进展

（1）不同产物的转化效率与选择性

近年来，双光路光热催化 CO2​ 转化在制备多种高附加值化学品和燃料方面取得了显著进展。在 CO2​ 转化为 CO 的研究中，一些研究团队通过优化双光路光热催化体系，实现了较高的 CO 产率和选择性。采用 Au/TiO2​ 光催化剂与 Cu−ZnO−ZrO2​ 热催化剂构建的双光路体系，在特定的光照和温度条件下，CO2​ 转化率可达 30% 以上，CO 选择性超过 90%。在该体系中，光催化产生的光生电子促进了 CO2​ 的还原，热催化则降低了反应能垒，协同作用使得 CO 的生成效率大幅提高。对于 CO2​ 甲烷化反应，双光路光热催化也展现出优异的性能。有研究报道，利用 La0.2​Ce0.8​NiO3​ 钙钛矿催化剂作为光热协同催化剂，在双光路照射下，CO2​ 转化率在 300∘C 时可达 55.4%，CH4​ 选择性高达 97.2%。该钙钛矿催化剂独特的晶体结构和表面性质，在光热协同作用下，有效促进了 CO2​ 的吸附、活化以及 H2​ 的解离和加氢过程，从而实现了高选择性的甲烷生成。此外，在 CO2​ 转化为甲醇、乙醇等含氧有机物方面，双光路光热催化体系同样取得了一定成果。通过合理设计光催化剂和热催化剂的组合，以及优化反应条件，能够实现较高的甲醇和乙醇产率，为碳资源的有效利用提供了新的途径。

（2）与传统单一路径催化的对比优势

与传统的单一路径催化（如单纯光催化或热催化）相比，双光路光热催化在 CO2​ 转化方面具有明显的优势。在光催化方面，双光路体系通过引入热效应，有效解决了光生载流子复合率高的问题。传统光催化中，光生电子 - 空穴对的复合严重限制了光催化效率，而双光路光热催化体系中的热场促进了光生载流子的分离与迁移，使得更多的光生载流子能够参与到 CO2​ 还原反应中，从而显著提高了光催化还原 CO2​ 的效率。研究表明，在相同的光照条件下，双光路光热催化体系的光催化还原 CO2​ 速率可比传统光催化提高数倍甚至数十倍。在热催化方面，双光路光热催化体系能够在相对较低的温度下实现高效的 CO2​ 转化。传统热催化往往需要高温条件来克服反应活化能，这不仅增加了能源消耗，还可能导致催化剂失活和副反应的发生。而双光路体系中的光激发产生的热载流子和局域热场可以降低反应所需的温度，同时光生载流子还能调节热催化剂表面的活性位点，提高热催化反应的选择性和稳定性。实验数据显示，在双光路光热催化 CO2​ 甲烷化反应中，反应温度可比传统热催化降低 50−100∘C，同时 CO2​ 转化率和 CH4​ 选择性均有显著提升。此外，双光路光热催化体系还能够充分利用太阳能的不同波段能量，拓宽了对太阳能的利用范围，相比传统单一路径催化，具有更高的太阳能 - 化学能转换效率。

（3）实际应用中的挑战与应对策略

尽管双光路光热催化 CO2​ 转化技术展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，催化剂的稳定性是一个关键问题。在长时间的光热协同反应过程中，催化剂可能会受到光腐蚀、热烧结、积碳等因素的影响，导致催化活性逐渐下降。为了解决这一问题，需要进一步优化催化剂的制备工艺

六、总结

      双光路光热催化技术通过创新的光路设计，实现了光催化还原与热催化的深度偶联，在 ​CO2​转化领域展现出卓越性能与广阔前景。传统光催化和热催化在 ​CO2​转化中各有局限，前者光生载流子复合率高、光谱利用率低，后者能耗高、反应条件苛刻。双光路光热催化体系巧妙融合二者优势，借助光热协同作用提升转化效率。​

      从原理层面来看，双光路设计使一条光路激发光催化剂产生光生载流子用于CO2​光催化还原，另一条光路产生热效应，促进热催化并增强光生载流子分离与迁移。热效应可促进电子迁移，降低 ​CO2​吸附能与反应活化能，光生载流子也能调节热催化剂活性位点。同时，双光路拓宽了光吸收范围，热效应增强光吸收，热梯度及异质结结构优化等促进载流子分离。​在催化剂设计构建方面，光催化剂需具备宽光吸收范围、高载流子分离效率，可通过表面修饰、构建异质结及调控晶体结构与形貌来优化，如铋基等新型半导体光催化剂及负载贵金属的 ​TiO2​等。热催化剂要求高活性、选择性与稳定性，过渡金属基催化剂常用，添加助剂、采用新型载体可改善性能。构建光热协同催化剂可通过复合催化剂制备和催化剂界面工程，如复合 ​TiO2​与镍基催化剂，引入碳纳米材料中间层优化界面。​

      研究进展表明，双光路光热催化在 ​CO2​转化为 ​CO、​CH4​、甲醇等产物时，展现出高转化效率与选择性，相比传统单一路径催化，在 ​CO2​转化率、产物生成速率及太阳能 - 化学能转换效率上显著提升。但在实际应用中，面临催化剂稳定性问题，如光腐蚀、热烧结、积碳等影响活性。​

      总体而言，双光路光热催化为 ​CO2​高效转化带来了新突破，未来需进一步深入研究其反应机理，优化催化剂设计与制备工艺，解决稳定性等问题，推动该技术从实验室走向实际工业化应用，为缓解全球 ​CO2​排放问题及实现碳循环利用提供有力支撑 。

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。