一、引言

      催化反應(yīng)在化學(xué)工業(yè)、能源轉(zhuǎn)化和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的催化過程主要依賴熱能驅(qū)動，但單一的熱能驅(qū)動存在能量利用效率有限、反應(yīng)選擇性不足等問題。近年來，隨著光催化技術(shù)的發(fā)展，光能與熱能的協(xié)同作用在催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。光能與熱能共驅(qū)催化通過巧妙地結(jié)合兩種能量形式，實(shí)現(xiàn)了對催化反應(yīng)的高效調(diào)控，為解決傳統(tǒng)催化過程中的難題提供了新的思路。本文將深入探討光能與熱能共驅(qū)催化的機(jī)制，并綜述其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

二、光能與熱能共驅(qū)催化的機(jī)制

（一）光生載流子與熱活化的協(xié)同作用

      在光催化過程中，半導(dǎo)體催化劑吸收光能后，價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，形成光生電子 - 空穴對。這些光生載流子具有較高的反應(yīng)活性，能夠參與氧化還原反應(yīng)。而熱能的引入可以提高反應(yīng)物分子的動能，增加其與催化劑表面的碰撞頻率，同時促進(jìn)反應(yīng)物分子的吸附和活化。當(dāng)光能與熱能共同作用時，光生載流子的產(chǎn)生和熱活化過程相互促進(jìn)。一方面，熱能可以加速光生電子 - 空穴對的分離，減少其復(fù)合幾率，從而提高光催化效率；另一方面，光生載流子的存在可以降低反應(yīng)的活化能，使得在較低的溫度下即可實(shí)現(xiàn)高效的催化反應(yīng)。例如，在 TiO? 光催化降解有機(jī)污染物的過程中，適當(dāng)升高溫度可以顯著提高降解速率，這是由于熱活化促進(jìn)了有機(jī)物分子在催化劑表面的吸附，同時光生載流子的高效分離和利用增強(qiáng)了氧化還原反應(yīng)的效率。

（二）表面等離子體共振與熱效應(yīng)的協(xié)同

      對于金屬納米顆粒催化劑，當(dāng)入射光的頻率與金屬納米顆粒表面自由電子的振蕩頻率相匹配時，會產(chǎn)生表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)。SPR 效應(yīng)不僅能夠增強(qiáng)催化劑對光的吸收，還會產(chǎn)生局部高溫區(qū)域，形成熱效應(yīng)。這種局部高溫可以進(jìn)一步促進(jìn)催化反應(yīng)的進(jìn)行，同時與光能產(chǎn)生協(xié)同作用。例如，在金納米顆粒修飾的 TiO? 催化劑中，SPR 效應(yīng)引起的局部熱效應(yīng)可以提高反應(yīng)物分子的活化能，同時增強(qiáng)光生載流子的產(chǎn)生和分離效率，從而顯著提高光催化產(chǎn)氫效率。此外，表面等離子體共振產(chǎn)生的熱效應(yīng)還可以調(diào)節(jié)催化劑的表面結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化催化性能。

（三）熱激發(fā)與光激發(fā)的能量傳遞

      在一些復(fù)合催化劑體系中，熱能和光能可以通過能量傳遞的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用。例如，在熒光分子與催化劑的復(fù)合體系中，熒光分子吸收光能后躍遷到激發(fā)態(tài)，然后通過非輻射躍遷將能量傳遞給催化劑，使催化劑處于熱激發(fā)狀態(tài)。這種熱激發(fā)狀態(tài)的催化劑具有更高的反應(yīng)活性，能夠促進(jìn)催化反應(yīng)的進(jìn)行。同時，催化劑在熱激發(fā)過程中釋放的能量又可以反饋給熒光分子，增強(qiáng)其光能吸收和能量傳遞效率，形成一個良性的協(xié)同循環(huán)。這種能量傳遞機(jī)制在光催化有機(jī)合成反應(yīng)中具有重要的應(yīng)用價值，能夠顯著提高反應(yīng)的產(chǎn)率和選擇性。

三、光能與熱能共驅(qū)催化的應(yīng)用

（一）能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域

1. 光熱協(xié)同催化分解水制氫

      分解水制氫是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的重要途徑之一。傳統(tǒng)的光催化分解水制氫效率較低，主要受到光生載流子復(fù)合率高和反應(yīng)活化能高的限制。光能與熱能共驅(qū)催化技術(shù)為提高分解水制氫效率提供了新的途徑。例如，研究人員開發(fā)了一種基于 WO? / Co?O? 的光熱協(xié)同催化劑，在模擬太陽光照射下，通過調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)了光能與熱能的協(xié)同作用。結(jié)果表明，該催化劑的產(chǎn)氫速率顯著高于單一光催化或熱催化體系。這是由于在光熱協(xié)同作用下，WO? 吸收光能產(chǎn)生光生載流子，Co?O? 作為助催化劑不僅促進(jìn)了光生載流子的分離，還通過熱活化作用降低了水分解反應(yīng)的活化能，從而實(shí)現(xiàn)了高效的產(chǎn)氫過程。

2. 光熱協(xié)同催化二氧化碳還原

      將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可再生燃料和化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)和緩解溫室效應(yīng)的重要策略。光能與熱能共驅(qū)催化在二氧化碳還原反應(yīng)中具有優(yōu)勢。例如，利用銅基光熱催化劑在光照和加熱條件下實(shí)現(xiàn)了二氧化碳向甲醇的高效轉(zhuǎn)化。在該體系中，光能激發(fā)銅納米顆粒產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)，不僅增強(qiáng)了對二氧化碳的吸附和活化，還產(chǎn)生了局部熱效應(yīng)，提高了反應(yīng)速率。同時，熱能的引入可以促進(jìn)中間體的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物的脫附，從而提高反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率。研究表明，與單一的光催化或熱催化相比，光熱協(xié)同催化二氧化碳還原的甲醇產(chǎn)率提高了數(shù)倍。

（二）環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域

1. 光熱協(xié)同催化降解有機(jī)污染物

      工業(yè)廢水中含有大量的有機(jī)污染物，如染料、農(nóng)藥和 pharmaceuticals 等，這些污染物具有毒性高、難降解等特點(diǎn)，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重威脅。光能與熱能共驅(qū)催化技術(shù)在降解有機(jī)污染物方面具有高效優(yōu)點(diǎn)。例如，采用 ZnO /g - C?N? 復(fù)合催化劑在可見光照射和加熱條件下對羅丹明 B 染料進(jìn)行降解。結(jié)果表明，光熱協(xié)同作用下的降解速率明顯高于單一光催化或熱催化體系。這是因?yàn)?ZnO 具有良好的光催化活性，g - C?N? 能夠有效分離光生載流子，同時熱能的引入促進(jìn)了染料分子在催化劑表面的吸附和反應(yīng)中間體的氧化分解，從而實(shí)現(xiàn)了對有機(jī)污染物的高效去除。

2. 光熱協(xié)同催化處理揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）

      揮發(fā)性有機(jī)化合物是大氣污染的主要來源之一，其治理一直是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光能與熱能共驅(qū)催化技術(shù)可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)對 VOCs 的高效催化氧化，具有能耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。例如，研究人員設(shè)計(jì)了一種負(fù)載型貴金屬（如 Pt、Pd）的光熱催化劑，在紫外光照射和低溫（如 100 - 150℃）條件下對苯、甲苯等 VOCs 進(jìn)行催化氧化。結(jié)果表明，光熱協(xié)同作用下的 VOCs 轉(zhuǎn)化率顯著高于單一熱催化體系，且貴金屬的用量可以大幅減少。這是由于紫外光激發(fā)貴金屬納米顆粒產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)，產(chǎn)生的局部熱效應(yīng)和活性氧物種（如?OH、?O??）共同促進(jìn)了 VOCs 的氧化分解反應(yīng)。

（三）化學(xué)合成領(lǐng)域

1. 光熱協(xié)同催化有機(jī)合成反應(yīng)

      在有機(jī)合成中，光能與熱能共驅(qū)催化可以實(shí)現(xiàn)溫和條件下的高效合成反應(yīng)，減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)物的選擇性。例如，在光熱協(xié)同作用下，利用 TiO? 催化劑實(shí)現(xiàn)了苯甲醇的氧化反應(yīng)生成苯甲醛。傳統(tǒng)的熱催化氧化苯甲醇需要在較高的溫度（如 200℃以上）和氧化劑存在下進(jìn)行，而光熱協(xié)同催化可以在較低的溫度（如 80℃）和可見光照射下實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化，且苯甲醛的選擇性高達(dá) 90% 以上。這是由于光生空穴和熱活化共同作用，促進(jìn)了苯甲醇的氧化反應(yīng)，同時抑制了深度氧化產(chǎn)物的生成。

2. 光熱協(xié)同催化選擇性加氫反應(yīng)

      選擇性加氫反應(yīng)在精細(xì)化工和制藥工業(yè)中具有重要的應(yīng)用價值。光能與熱能共驅(qū)催化可以通過調(diào)節(jié)光能和熱能的比例，實(shí)現(xiàn)對加氫反應(yīng)選擇性的精確調(diào)控。例如，在光熱協(xié)同作用下，使用 Pd / C 催化劑對 α,β - 不飽和醛進(jìn)行選擇性加氫生成不飽和醇。研究發(fā)現(xiàn)，在較低的溫度和適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度下，催化劑對不飽和醇的選擇性顯著提高，而在單一熱催化條件下則容易發(fā)生過度加氫生成飽和醇。這是因?yàn)楣饽艿囊肟梢愿淖兇呋瘎┍砻娴碾娮訝顟B(tài)和氫吸附行為，從而調(diào)節(jié)加氫反應(yīng)的路徑和選擇性。

四、挑戰(zhàn)與展望

（一）當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)

      盡管光能與熱能共驅(qū)催化技術(shù)取得了顯著的研究進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，催化劑的設(shè)計(jì)和制備是關(guān)鍵問題之一。如何構(gòu)建具有高效光吸收、良好熱穩(wěn)定性和高催化活性的復(fù)合催化劑體系，仍然需要深入研究。其次，光能與熱能的協(xié)同作用機(jī)制尚不明確，缺乏系統(tǒng)的理論模型來指導(dǎo)催化劑的設(shè)計(jì)和反應(yīng)條件的優(yōu)化。此外，反應(yīng)體系的熱管理和光能利用率也是需要解決的重要問題。在實(shí)際應(yīng)用中，如何有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能并均勻地傳遞到催化劑表面，以及如何避免過熱導(dǎo)致催化劑失活，仍然需要進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新。

（二）未來的發(fā)展展望

      未來，光能與熱能共驅(qū)催化技術(shù)的發(fā)展將主要集中在以下幾個方面。一是開發(fā)新型的催化劑材料，如金屬 - 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、多孔材料和納米復(fù)合材料等，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元素?fù)诫s，提高催化劑的光熱協(xié)同催化性能。二是深入研究光能與熱能的協(xié)同作用機(jī)制，利用先進(jìn)的表征技術(shù)（如原位光譜、分子動力學(xué)模擬等）揭示反應(yīng)過程中的關(guān)鍵中間體和能量傳遞路徑，建立完善的理論模型。三是優(yōu)化反應(yīng)體系的設(shè)計(jì)，開發(fā)高效的光熱轉(zhuǎn)換裝置和反應(yīng)器，提高光能和熱能的利用率，實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。此外，結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對催化劑的設(shè)計(jì)和反應(yīng)條件進(jìn)行智能優(yōu)化，將有望加速光能與熱能共驅(qū)催化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

五、結(jié)論

      光能與熱能共驅(qū)催化通過巧妙地結(jié)合兩種能量形式，實(shí)現(xiàn)了對催化反應(yīng)的高效調(diào)控，在能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境保護(hù)和化學(xué)合成等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。盡管該技術(shù)目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著催化劑設(shè)計(jì)、作用機(jī)制研究和反應(yīng)體系優(yōu)化的不斷深入，相信光能與熱能共驅(qū)催化技術(shù)將在未來的綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用，為解決全球能源和環(huán)境問題提供新的有力工具。

產(chǎn)品展示

      SSC-SOEC80電熱協(xié)同催化劑評價系統(tǒng)是一種結(jié)合電場和熱場協(xié)同作用的固體氧化物電解池（SOEC）實(shí)驗(yàn)平臺，用于高效電解H?O/CO?制取H?/CO，是SOFC的逆向反應(yīng)。該系統(tǒng)通過精確控制溫度、電壓和氣體組成，研究電熱耦合效應(yīng)對電解性能的影響，并優(yōu)化催化劑材料和操作參數(shù)。本SOEC評價系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)、功能全面，能夠滿足從材料研究到系統(tǒng)集成的多種測試需求。通過高精度控制和多功能測試模塊，可為SOEC的性能優(yōu)化與商業(yè)化應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

      光電熱多場耦合的催化在環(huán)境治理（如高效降解污染物）、能源轉(zhuǎn)換（如CO2還原、水分解）和化工合成中有潛力。例如，在CO2還原中，光提供激發(fā)能，電幫助電子傳遞，熱促進(jìn)反應(yīng)物活化，三者結(jié)合可能提高產(chǎn)物選擇性和反應(yīng)速率；光熱耦合電合成氨。光電熱催化代表了多能量場協(xié)同催化的前沿方向，未來將在綠色化學(xué)和碳中和領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

  SOEC系統(tǒng)優(yōu)勢：

1、研究電熱協(xié)同作用對SOEC電解效率的影響，優(yōu)化催化劑材料和操作參數(shù)（溫度、電壓）。

2、比較不同催化劑（如Ni-YSZ與摻雜Ce/Co的催化劑）在電解H?O/CO?中的性能。

3、探究溫度（600–800°C）和電壓（0.5–2V）對電流密度、法拉第效率及穩(wěn)定性的影響。

4、分析電化學(xué)阻抗譜（EIS）以揭示反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制。

5、通過溫度-電壓協(xié)同調(diào)控、多尺度表征及長期穩(wěn)定性測試，系統(tǒng)揭示電熱催化在SOEC中的作用機(jī)制。

6、引入原位高溫拉曼光譜，實(shí)時追蹤催化劑動態(tài)行為。

7、 “熱-電協(xié)同因子”量化電熱耦合效應(yīng)強(qiáng)度。

8、為高效電解CO?制合成氣（H?/CO）或綠氫提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。