光致热催化技术融合光催化与热催化优势，在能源转化与污染物降解领域展现出巨大潜力，为碳中和目标的实现提供了双重路径。本文详细阐述了该技术的基本原理，包括光生载流子激发、热效应促进反应等机制。在能源转化方面，介绍了其在太阳能制氢、二氧化碳转化为燃料以及甲烷高值化利用等过程中的应用进展。在污染物降解领域，探讨了对挥发性有机化合物（VOCs）和其他环境污染物的去除效果与机制。同时，分析了当前光致热催化技术面临的挑战，如催化剂稳定性、效率提升等问题，并对未来发展方向进行了展望，强调了该技术在推动碳中和进程中的重要意义。

一、引言

      随着全球气候变化的加剧，实现碳中和已成为世界各国共同追求的目标。在众多应对气候变化的策略中，发展高效的能源转化技术以减少对化石能源的依赖，以及有效降解环境污染物，成为实现碳中和的关键环节。光致热催化技术作为一种新兴的催化技术，通过巧妙地将光催化与热催化相结合，不仅能够利用太阳能驱动化学反应，还能借助热效应提升反应效率，为能源转化与污染物降解提供了创新的解决方案。该技术在温和条件下实现高值化学品和新能源的绿色低碳生产，符合可持续发展的理念，有望在碳中和进程中发挥重要作用。

二、光致热催化技术的基本原理

（1）光催化原理

      光催化过程基于半导体材料的特性。当半导体吸收能量大于其带隙能的光子时，价带中的电子被激发跃迁到导带，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，能够迁移到催化剂表面，与吸附在表面的反应物分子发生氧化还原反应。例如，在光催化水分解制氢过程中，光生空穴可以氧化水生成氧气，而光生电子则还原质子生成氢气。然而，在实际应用中，光生载流子容易发生复合，导致光催化效率受限。

（2）热催化原理

      热催化反应依赖于热能提供反应物分子克服反应能垒所需的能量。在高温条件下，反应物分子的热运动加剧，分子间的碰撞频率增加，使得反应更容易发生。热催化通常需要较高的温度来保证足够的反应速率，但高温往往伴随着高能耗和设备要求的提升，同时也可能导致副反应的发生。

（3）光致热催化的协同机制

      光致热催化技术巧妙地将光催化与热催化的优势结合起来。一方面，光催化产生的光生载流子可以参与反应，实现对反应物分子的精准激发和活化；另一方面，光吸收过程中产生的热效应，即声子的作用，能够优化反应路径，促进反应物分子的吸附和脱附，降低反应能垒，提高反应速率。例如，在某些光致热催化体系中，光激发产生的热可以使催化剂表面的局部温度升高，增强反应物分子在催化剂表面的吸附强度，同时加速反应中间体的转化，从而提升整体反应效率。这种光子 - 声子协同催化的机制，打破了传统光催化和热催化的局限，为实现温和条件下的高效催化反应提供了可能。

三、光致热催化在能源转化中的应用

（1）太阳能制氢

      氢气作为一种清洁高效的能源载体，被视为未来能源体系的重要组成部分。光致热催化太阳能制氢技术具有显著优势。例如，通过设计合适的光热催化剂，如负载型金属催化剂与半导体材料的复合体系，在光照下，半导体材料吸收光能产生光生载流子，同时光热效应使催化剂表面温度升高。这种协同作用能够促进水的分解反应，提高氢气的产率。一些研究报道，在特定的光致热催化体系中，在较低的光照强度下就能实现较高的氢气生成速率，且相较于单一的光催化或热催化制氢，量子效率得到了显著提升。这为大规模、低成本的太阳能制氢提供了新的途径，有助于推动氢能经济的发展，减少对传统化石能源的依赖，从而助力碳中和目标的实现。

（2）二氧化碳转化为燃料

      将二氧化碳转化为可利用的燃料，是实现碳循环和缓解温室效应的重要策略。光致热催化技术在这一领域展现出巨大潜力。利用太阳能驱动二氧化碳加氢反应，在光致热催化剂的作用下，二氧化碳可以被还原为一氧化碳、甲烷、甲醇等燃料。例如，某些过渡金属氧化物负载的催化剂，在光照和一定温度条件下，能够有效地活化二氧化碳和氢气分子，促进二者之间的反应。通过调控光热条件和催化剂的组成结构，可以实现对产物选择性的控制。与传统热催化二氧化碳转化相比，光致热催化能够在相对温和的条件下进行反应，减少了能耗，同时利用太阳能作为能源输入，降低了碳排放，为二氧化碳的资源化利用提供了绿色、可持续的解决方案。

（3）甲烷的高值化利用

      甲烷是天然气的主要成分，也是一种重要的温室气体。实现甲烷的高值化利用对于能源开发和环境保护具有双重意义。光致热催化为甲烷的转化提供了新的途径。传统热催化中甲烷转化通常需要高温条件，能耗高且选择性有限。而在光致热催化体系中，通过光能和热能的协同作用，可以在相对较低的温度下实现甲烷的活化和转化。例如，利用特定的催化剂，如负载型金催化剂或单原子催化剂，在光照下能够将甲烷高效氧化为乙烷、甲醛、乙醇等高附加值化学品。这种技术不仅降低了甲烷转化的能耗，还提高了产物的选择性和产率，为天然气资源的高效利用提供了新思路，有助于减少甲烷的直接排放，同时创造经济价值。

四、光致热催化在污染物降解中的应用

（1）挥发性有机化合物（VOCs）的降解

      挥发性有机化合物是一类常见的空气污染物，具有高毒性和致癌性，且在光照下与氮氧化物反应易形成光化学烟雾，严重危害环境和人类健康。光致热催化技术为 VOCs 的降解提供了有效的解决方案。基于传统的热催化剂，如 Pt - TiO₂等，通过引入具有宽光谱吸收性质和优异光热转换性能的材料，如石墨烯，构建复合催化剂体系，如 Pt - rGO - TiO₂。在光照下，石墨烯能够广谱俘获太阳能并将其转化为热能，使催化剂表面温度升高，同时石墨烯与甲苯等 VOCs 反应物分子之间强烈的 π - π 作用，增加了反应物分子在催化剂上的停留时间。这种光热协同效应使得 VOCs 在相对较低的温度下就能被高效催化氧化为二氧化碳和水等无害物质。研究表明，在无聚光条件下，该类催化剂能够实现较高的光热转换效率以及 VOCs 的高效无害化转化，为解决大气污染问题提供了新的技术手段。

（2）其他环境污染物的处理

      除了 VOCs，光致热催化技术还在其他环境污染物的处理方面展现出应用潜力。例如，对于一些难降解的有机废水污染物，通过设计合适的光致热催化剂，可以利用太阳能驱动催化反应，实现对有机污染物的降解矿化。在处理某些含重金属离子的废水时，光致热催化过程中产生的光生载流子和热效应能够促进重金属离子的还原沉淀，从而达到去除重金属污染物的目的。此外，在土壤污染修复领域，光致热催化技术也有望通过降解土壤中的有机污染物，改善土壤质量，恢复土壤生态功能。

五、当前面临的挑战

（1）催化剂的稳定性问题

      尽管光致热催化技术在能源转化和污染物降解方面取得了一定进展，但催化剂的稳定性仍然是一个关键挑战。在光热协同作用下，催化剂可能会面临高温、光照以及反应物和产物的化学侵蚀等多种因素的影响，导致催化剂的活性组分流失、结构发生变化，从而使催化性能逐渐下降。例如，在一些高温光致热催化反应中，负载型金属催化剂的金属颗粒可能会发生团聚，降低了活性位点的数量；而在含有腐蚀性气体的污染物降解反应中，催化剂的表面可能会被腐蚀，影响其催化活性和稳定性。因此，开发具有高稳定性的光致热催化剂是实现该技术工业化应用的关键之一。

（2）光热转化效率有待提高

      目前光致热催化体系的光热转化效率还不能完全满足实际应用的需求。虽然通过材料设计和结构优化，已经取得了一些进展，但大部分光致热催化剂对太阳能的利用效率仍然较低。一方面，部分光催化剂只能吸收特定波长范围的光，无法充分利用太阳能的全光谱能量；另一方面，在光热转化过程中，存在能量损失的问题，如光生载流子的复合、热能的散失等，导致最终用于驱动化学反应的能量有限。提高光热转化效率，需要进一步深入研究光与物质的相互作用机制，开发新型的光热材料，优化催化剂的结构和组成，以实现对太阳能的高效捕获和转化。

（3）反应机理研究尚不完善

      虽然光致热催化的协同机制已被提出，但对于许多具体的反应体系，其详细的反应机理仍然不明确。例如，在光致热催化二氧化碳转化为燃料的过程中，反应物分子在催化剂表面的吸附、活化以及反应中间体的形成和转化路径等，尚未完全清楚。反应机理研究的不完善，限制了对催化剂的理性设计和优化。为了进一步提升光致热催化技术的性能，需要借助先进的表征技术，如原位光谱技术、高分辨显微镜技术等，深入研究反应过程中的微观变化，明确反应机理，为催化剂的开发和反应条件的优化提供理论指导。

六、未来发展方向

（1）新型光热材料的开发

      未来需要加大对新型光热材料的研发力度。一方面，探索具有更宽光谱吸收范围、更高光热转换效率的材料，如新型半导体材料、纳米复合材料等，以充分利用太阳能的全光谱能量。例如，通过设计合成具有特殊能带结构的半导体，使其能够吸收红外光等低能量光子，拓宽光响应范围。另一方面，开发具有高稳定性和抗腐蚀性的材料，以解决催化剂在实际应用中的稳定性问题。例如，采用表面修饰、封装等技术手段，提高催化剂对恶劣环境的耐受性。此外，还可以借鉴生物光合作用的原理，开发仿生光热材料，进一步提高光热转化效率和反应选择性。

（2）多学科交叉融合促进技术发展

      光致热催化技术的发展需要多学科的交叉融合。化学、材料科学、物理学、工程学等学科的协同合作至关重要。例如，化学领域可以深入研究反应机理，开发新的催化反应体系；材料科学专注于设计和制备高性能的光热催化剂材料；物理学则为理解光与物质的相互作用、热传导等过程提供理论支持；工程学负责将实验室成果转化为实际的工业应用，优化反应器设计和工艺流程。通过多学科的深度融合，能够从不同角度解决光致热催化技术面临的问题，推动该技术的快速发展和广泛应用。

（3）拓展应用领域与规模化应用

      在未来，光致热催化技术有望拓展到更多的应用领域。除了能源转化和污染物降解，还可以探索其在生物质转化利用、海水淡化、资源回收等领域的应用潜力。例如，利用光致热催化技术将生物质转化为生物燃料，实现生物质资源的高效利用；在海水淡化过程中，通过光热效应提高海水蒸发效率，降低能耗。同时，为了实现光致热催化技术的规模化应用，需要开展技术经济分析和生命周期评估，优化工艺参数，降低成本，提高技术的可行性和经济性。建立示范工程，验证技术在实际大规模应用中的性能和稳定性，为其推广应用提供实践经验。

七、结论

      光致热催化技术作为一种具有创新性的催化技术，在能源转化和污染物降解方面展现出巨大的潜力，为实现碳中和目标提供了重要的双重路径。通过巧妙地融合光催化与热催化的优势，该技术能够在温和条件下实现高效的化学反应，减少能耗和碳排放。然而，目前该技术仍面临着催化剂稳定性、光热转化效率以及反应机理等方面的挑战。未来，通过新型光热材料的开发、多学科交叉融合以及拓展应用领域与规模化应用等策略，有望进一步提升光致热催化技术的性能，解决实际应用中的问题，使其在推动全球能源转型和环境保护，助力碳中和目标的实现中发挥更大的作用。

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。