隨著全球對清潔能源需求的持續(xù)增長，開發(fā)高效、可持續(xù)的能源轉化技術已成為當務之急。傳統(tǒng)單一的能源轉化技術在效率、成本和能源利用范圍等方面面臨諸多挑戰(zhàn)。光致熱催化與電催化的耦合系統(tǒng)作為一種創(chuàng)新的多能互補策略，為突破這些限制提供了新的可能性。該耦合系統(tǒng)充分利用光、熱、電三種能量形式的協(xié)同作用，顯著提升了能源轉化效率，拓展了能源利用的途徑。本文將深入探討光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)的基本原理、關鍵組件與材料、協(xié)同機制，以及在能源領域的應用現(xiàn)狀與前景，旨在全面闡述這一多能互補能源轉化新路徑的重要意義與潛力。

一、引言

      能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的基石，然而，傳統(tǒng)化石能源的大量使用帶來了環(huán)境污染和資源枯竭等問題。開發(fā)可持續(xù)的清潔能源技術，實現(xiàn)高效的能源轉化與存儲，是應對全球能源挑戰(zhàn)的關鍵。在眾多清潔能源技術中，光催化和電催化因其能夠利用太陽能、電能等可再生能源驅動化學反應，受到了廣泛關注。光催化利用光生載流子參與化學反應，具有反應條件溫和的優(yōu)點，但存在光生載流子復合率高、反應速率慢等問題。電催化則通過外加電場促進電極表面的化學反應，反應速率較快，但往往需要消耗大量電能。

      光致熱催化是近年來興起的一種催化方式，它利用材料吸收光能后轉化為熱能，通過熱效應來促進催化反應。光致熱催化能夠有效利用太陽能中的紅外光部分，提高太陽能的利用效率。將光致熱催化與電催化相結合，構建耦合系統(tǒng)，有望實現(xiàn)光、熱、電三種能量形式的協(xié)同作用，克服單一催化方式的局限性，為能源轉化提供一條高效、多能互補的新路徑。這種耦合系統(tǒng)在電解水制氫、二氧化碳還原、有機合成等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，成為當前能源研究領域的熱點之一。

二、光致熱催化與電催化的基本原理

2.1 光致熱催化原理

      光致熱催化的核心是光熱材料對光能的吸收和轉化。當光照射到光熱材料表面時，材料中的電子吸收光子能量被激發(fā)到高能級，形成熱載流子。這些熱載流子在與周圍晶格相互作用的過程中，將能量傳遞給晶格，導致材料溫度升高，產(chǎn)生光熱效應。常見的光熱材料包括金屬納米顆粒（如金、銀納米顆粒）、碳基材料（如石墨烯、碳納米管）以及半導體材料（如二氧化鈦、硫化鎘）等。這些材料具有光學和電子結構，能夠在寬光譜范圍內(nèi)高效吸收光能，并將其轉化為熱能。

      在光致熱催化反應中，升高的溫度可以降低反應的活化能，加快反應速率。例如，在光熱輔助的催化燃燒反應中，光熱材料吸收太陽能后產(chǎn)生的高溫能夠促進揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的氧化分解，提高催化燃燒的效率。此外，光熱效應還可以影響反應物和產(chǎn)物在催化劑表面的吸附和脫附行為，優(yōu)化催化反應的路徑。

2.2 電催化原理

      電催化是在電極表面發(fā)生的借助于外電場作用加速電極反應速率的催化過程。電催化反應通常涉及電解質(zhì)溶液中的離子在電極表面的氧化還原反應。當在電極兩端施加一定的電勢差時，電子會在電極與電解質(zhì)之間發(fā)生轉移，從而引發(fā)化學反應。電極材料的性質(zhì)對電催化反應的效率起著關鍵作用。理想的電極材料應具有高的電導率、良好的催化活性和穩(wěn)定性。常見的電催化電極材料有貴金屬（如鉑、鈀）、過渡金屬及其氧化物（如氧化鎳、氧化鐵）等。

      在電催化過程中，電極表面的電子態(tài)和電荷分布會影響反應物分子的吸附和活化。例如，在電解水制氫反應中，陰極表面的催化劑能夠降低氫氣析出反應的過電位，促進氫離子得電子生成氫氣。同時，陽極表面的催化劑則促進水的氧化反應，產(chǎn)生氧氣。通過優(yōu)化電極材料的組成和結構，可以提高電催化反應的選擇性和效率。

2.3 光致熱催化與電催化耦合的協(xié)同效應

      光致熱催化與電催化的耦合系統(tǒng)中，光、熱、電三種能量形式相互協(xié)同，產(chǎn)生了一系列效應，顯著提升了能源轉化效率。一方面，光熱效應產(chǎn)生的熱量可以加速電解質(zhì)中離子的遷移速度，降低電化學反應的活化能，從而促進電催化反應的進行。例如，在光熱輔助的電解水過程中，光熱材料吸收太陽能產(chǎn)生的熱量使電解槽內(nèi)的溫度升高，水分子的分解反應更容易發(fā)生，氫氣的生成效率得到提升。

      另一方面，電催化過程可以調(diào)控光致熱催化反應的路徑和選擇性。通過外加電場，可以改變催化劑表面的電子態(tài)，影響反應物分子在催化劑表面的吸附和反應方式。例如，在二氧化碳電還原反應中，結合光熱效應提升反應溫度，同時通過電催化調(diào)控電極表面的電子分布，可以顯著提高二氧化碳轉化為特定燃料（如一氧化碳、甲烷）的選擇性。此外，光致熱催化產(chǎn)生的熱載流子還可以與電催化體系中的電子相互作用，優(yōu)化電荷傳輸與分離效率，進一步增強耦合系統(tǒng)的性能。

三、光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)的關鍵組件與材料

3.1 光熱材料

3.1.1 金屬納米顆粒

      金屬納米顆粒（如金、銀納米顆粒）由于其表面等離子體共振效應，在可見光和近紅外光區(qū)域具有強烈的光吸收能力。當光照射到金屬納米顆粒表面時，會激發(fā)表面等離子體共振，使納米顆粒表面的電子發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生局部高溫熱點。這些熱點的溫度可以達到數(shù)百攝氏度，能夠有效促進催化反應的進行。此外，金屬納米顆粒還具有良好的化學穩(wěn)定性和生物相容性，在光致熱催化領域得到了廣泛應用。例如，金納米顆粒修飾的催化劑在光熱輔助的有機合成反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。

3.1.2 碳基材料

      碳基材料（如石墨烯、碳納米管）具有二維或一維結構，具有高的比表面積、優(yōu)異的導電性和良好的光熱轉換性能。石墨烯能夠在寬光譜范圍內(nèi)吸收光能，并將其高效轉化為熱能。其大的比表面積和豐富的孔隙結構有利于反應物分子的吸附和擴散，提高催化反應的活性。碳納米管也具有類似的優(yōu)點，并且其管狀結構還可以提供電子傳輸通道。在光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)中，碳基材料可以作為光熱載體、催化劑載體或電極材料的組成部分，發(fā)揮重要作用。例如，石墨烯負載的過渡金屬催化劑在光熱 - 電催化二氧化碳還原反應中表現(xiàn)出較高的催化活性和選擇性。

3.1.3 半導體材料

      半導體材料（如二氧化鈦、硫化鎘）在光催化和光致熱催化領域應用廣泛。它們具有合適的能帶結構，能夠吸收特定波長的光，產(chǎn)生光生電子 - 空穴對。在光致熱催化過程中，光生載流子與晶格相互作用產(chǎn)生熱量，同時也可以參與催化反應。一些半導體材料（如二氧化鈦）還具有良好的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性，適合在復雜的反應環(huán)境中使用。通過對半導體材料進行摻雜、修飾等手段，可以進一步優(yōu)化其光熱性能和催化活性。例如，氮摻雜的二氧化鈦能夠拓寬其光吸收范圍，提高對可見光的利用效率。

3.2 電催化電極材料

3.2.1 貴金屬電極材料

      貴金屬（如鉑、鈀）具有優(yōu)異的電催化活性，是許多電催化反應的電極材料。在電解水制氫、氧還原反應等過程中，鉑基電極表現(xiàn)出極低的過電位，能夠高效地促進反應進行。然而，貴金屬的儲量有限、成本高昂，限制了其大規(guī)模應用。為了降低成本，提高貴金屬的利用效率，通常采用將貴金屬負載在高比表面積載體上的方法，制備成負載型催化劑。例如，將鉑納米顆粒負載在碳納米管上，既提高了鉑的分散度，又利用了碳納米管的高導電性和大比表面積，提升了電極的整體性能。

3.2.2 過渡金屬及其氧化物電極材料

      過渡金屬及其氧化物（如氧化鎳、氧化鐵、鈷氧化物等）由于其豐富的儲量和相對較低的成本，成為替代貴金屬電極材料的研究熱點。這些材料具有多種氧化態(tài)，能夠在電催化過程中通過氧化還原反應提供或接受電子，促進反應的進行。例如，氧化鎳在堿性條件下對析氧反應具有良好的催化活性，通過優(yōu)化其晶體結構和表面性質(zhì)，可以進一步提高其催化性能。此外，過渡金屬合金電極材料也表現(xiàn)出電催化性能，通過調(diào)節(jié)合金的組成和結構，可以實現(xiàn)對催化活性和選擇性的調(diào)控。

3.3 電解質(zhì)材料

      電解質(zhì)在光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)中起著至關重要的作用，它不僅提供離子傳輸?shù)耐ǖ?，還影響著電極表面的反應動力學。合適的電解質(zhì)應具有良好的離子導電性、化學穩(wěn)定性以及與光熱材料和電極材料的兼容性。

      在水溶液電解質(zhì)中，常見的有硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀等。這些電解質(zhì)具有較高的離子電導率，能夠滿足大多數(shù)電催化反應的需求。然而，水溶液電解質(zhì)的工作電壓窗口有限，在一些需要高電壓的反應中可能受到限制。為了拓展電解質(zhì)的應用范圍，開發(fā)了非水電解質(zhì)，如有機電解質(zhì)和離子液體。有機電解質(zhì)具有較寬的電壓窗口和良好的化學穩(wěn)定性，適用于一些對電壓要求較高的電催化反應。離子液體則具有物理化學性質(zhì)，如低揮發(fā)性、高離子電導率和良好的熱穩(wěn)定性，在光熱 - 電催化耦合系統(tǒng)中展現(xiàn)出潛在的應用價值。例如，在二氧化碳電還原反應中，離子液體電解質(zhì)可以提高反應的選擇性和穩(wěn)定性。

四、光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)的協(xié)同機制

4.1 熱效應促進電化學反應

      在光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)中，光熱效應產(chǎn)生的熱量對電化學反應具有顯著的促進作用。一方面，溫度升高可以加快電解質(zhì)中離子的遷移速度，降低離子傳輸?shù)碾娮?，從而提高電化學反應的速率。根據(jù)阿倫尼烏斯公式，反應速率常數(shù)與溫度呈指數(shù)關系，溫度的升高能夠有效降低反應的活化能，使更多的反應物分子能夠跨越反應能壘，參與反應。例如，在光熱輔助的電解水過程中，溫度每升高 10℃，電解水的反應速率大約增加 2 - 3 倍。

      另一方面，熱效應還可以影響電極表面的吸附和脫附過程。升高的溫度有利于反應物分子在電極表面的吸附，增加反應物的局部濃度，同時也促進產(chǎn)物分子從電極表面的脫附，減少產(chǎn)物對電極活性位點的占據(jù)，從而提高電催化反應的效率。例如，在甲醇電氧化反應中，光熱效應產(chǎn)生的熱量能夠增強甲醇分子在電極表面的吸附，促進其氧化反應的進行，提高甲醇的轉化率和電流密度。

4.2 電場調(diào)控光致熱催化反應

      電催化過程中的外加電場可以對光致熱催化反應的路徑和選擇性進行有效調(diào)控。電場的存在改變了催化劑表面的電子態(tài)，影響了反應物分子在催化劑表面的吸附和反應方式。通過調(diào)節(jié)外加電場的強度和方向，可以實現(xiàn)對光致熱催化反應產(chǎn)物分布的控制。

      例如，在二氧化碳光熱 - 電催化還原反應中，當施加不同的電場時，二氧化碳在催化劑表面的吸附形態(tài)和反應中間體的生成路徑會發(fā)生變化。在適當?shù)碾妶鰲l件下，可以促進二氧化碳轉化為特定的產(chǎn)物，如一氧化碳、甲烷、甲醇等。理論計算和實驗研究表明，電場可以影響二氧化碳分子在催化劑表面的活化能壘，使反應朝著有利于生成目標產(chǎn)物的方向進行。此外，電場還可以影響光生載流子的遷移和復合過程，進一步優(yōu)化光致熱催化反應的性能。

4.3 光生載流子與電子的相互作用

      在光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)中，光生載流子（電子 - 空穴對）與電催化體系中的電子之間存在著復雜的相互作用。光熱材料吸收光能產(chǎn)生的光生載流子，一部分可以直接參與光致熱催化反應，另一部分則可以與電催化體系中的電子相互作用，優(yōu)化電荷傳輸與分離效率。

      當光生電子與電催化體系中的電子相遇時，它們可以協(xié)同參與電極表面的還原反應。同時，光生空穴則可以遷移至陽極表面，參與氧化反應。這種協(xié)同作用有助于提高電荷的利用效率，減少光生載流子的復合。例如，在光熱 - 電催化分解水制氫反應中，光生電子可以與電極表面的氫離子結合生成氫氣，而光生空穴則可以促進水的氧化反應產(chǎn)生氧氣。通過合理設計光熱材料和電極材料的界面結構，可以增強光生載流子與電催化體系中電子的相互作用，進一步提高耦合系統(tǒng)的能源轉化效率。

五、光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)在能源領域的應用

5.1 電解水制氫

      電解水制氫是一種清潔、可持續(xù)的制氫方法，然而，傳統(tǒng)電解水過程需要消耗大量電能，成本較高。光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)為提高電解水制氫效率、降低能耗提供了新途徑。在該耦合系統(tǒng)中，光熱材料吸收太陽能產(chǎn)生熱量，升高電解槽內(nèi)的溫度，降低水分解反應的活化能。同時，電催化過程在外加電場的作用下，促進電極表面的氧化還原反應，加速氫氣和氧氣的生成。

      例如，有研究將碳納米管修飾的光熱材料與鎳基電催化劑相結合，構建了光熱 - 電催化耦合電解水體系。在光照條件下，光熱材料吸收太陽能使體系溫度升高，加快了水分子的解離和離子傳輸速度。同時，鎳基電催化劑在電場作用下高效地催化氫氣和氧氣的析出反應，使電解水制氫的效率得到顯著提升。與傳統(tǒng)電解水方法相比，該耦合系統(tǒng)在相同電流密度下，所需的電壓降低了約 0.2V，大大降低了能耗。

5.2 二氧化碳還原

      將二氧化碳轉化為有價值的燃料或化學品是實現(xiàn)碳循環(huán)、緩解溫室效應的重要策略。光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)在二氧化碳還原領域展現(xiàn)出巨大的潛力。在該耦合系統(tǒng)中，光熱效應提供的熱量可以促進二氧化碳的活化，降低反應的起始電位。電催化過程則通過調(diào)節(jié)電極表面的電子分布，實現(xiàn)對二氧化碳還原產(chǎn)物選擇性的調(diào)控。

      例如，有研究采用銅基光熱催化劑與電催化劑組成耦合系統(tǒng)，用于二氧化碳還原反應。在光照下，光熱催化劑吸收光能產(chǎn)生熱量，使二氧化碳分子更容易吸附在催化劑表面并發(fā)生活化。同時，電催化劑在電場作用下，引導反應朝著生成一氧化碳或甲烷等特定產(chǎn)物的方向進行。實驗結果表明，該耦合系統(tǒng)在 400nm 光照下，二氧化碳轉化為一氧化碳的選擇性可達 85%，同時電能輸入減少了 30%，實現(xiàn)了高效、節(jié)能的二氧化碳還原過程。

5.3 有機合成反應

      在有機合成領域，光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)為一些傳統(tǒng)反應提供了新的途徑，能夠在溫和條件下實現(xiàn)高效、高選擇性的有機合成。例如，在聚苯乙烯廢棄塑料的升級回收中，研究團隊通過廉價的有機光催化劑，借助光氧化誘導的 Hock 重排，實現(xiàn)高化學選擇性的光催化聚苯乙烯廢棄塑料到酚類化合物的升級回收。同時，通過光 - 電串聯(lián)策略，實現(xiàn)了聚苯乙烯到高附加值對苯二酚衍生物的升級回收。該工作成功構建了以太陽光為能量驅動的光催化與電催化降解平臺，突顯了其在可持續(xù)性和規(guī)模化聚苯乙烯廢塑料資源化利用方面的巨大應用潛力。

      此外，在 C (sp3)-H 鍵的活化及后續(xù)的功能化反應中，基于金屬鹵化物鈣鈦礦的光電催化系統(tǒng)能夠在溫和條件下高效進行 C (sp3)-H 鍵的活化，并與電子缺陷的烯烴或偶氮化合物進行交叉偶聯(lián)反應，形成 C-C 和 C-N 鍵，為有機合成提供了一種新的策略。

六、挑戰(zhàn)與展望

6.1 面臨的挑戰(zhàn)

      盡管光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)在能源轉化領域展現(xiàn)出巨大的潛力，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，耦合系統(tǒng)中光熱材料、電催化電極材料和電解質(zhì)之間的協(xié)同匹配性有待進一步優(yōu)化。不同材料之間的界面相互作用復雜，如何實現(xiàn)三者之間高效的能量傳輸和電荷轉移，是提高耦合系統(tǒng)性能的關鍵問題。

      其次，目前對耦合系統(tǒng)的反應機理和動力學研究還不夠深入。光、熱、電三種能量形式在反應過程中的協(xié)同作用機制尚未明確，這限制了對耦合系統(tǒng)的理性設計和優(yōu)化。此外，耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性也是需要解決的重要問題。在實際應用中，系統(tǒng)需要在長時間、復雜的反應條件下保持高效運行，然而目前部分材料在穩(wěn)定性方面還存在不足，容易受到反應環(huán)境的影響而發(fā)生性能衰退。

6.2 未來研究方向與應用前景

      未來，針對上述挑戰(zhàn)，需要開展深入的基礎研究和技術創(chuàng)新。一方面，應加強對光熱材料、電催化電極材料和電解質(zhì)的設計與開發(fā)，通過材料的改性和復合，提高它們之間的協(xié)同匹配性。例如，利用納米技術精確調(diào)控材料的結構和界面性質(zhì)，優(yōu)化光熱材料與電極材料的接觸界面，提高電荷傳輸效率。

      另一方面，要深入研究耦合系統(tǒng)的反應機理和動力學，結合理論計算和先進的表征技術，揭示光、熱、電協(xié)同作用的本質(zhì)規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供理論指導。在穩(wěn)定性和耐久性方面，需要研發(fā)新型的材料和防護技術，提高系統(tǒng)在實際應用中的可靠性。

      從應用前景來看，光致熱催化與電催化耦合系統(tǒng)有望在能源存儲與轉化、環(huán)境保護、化工生產(chǎn)等多個領域實現(xiàn)廣泛應用。在能源存儲方面，該耦合系統(tǒng)可用于高效的電池充電和制氫儲能過程，提高能源存儲的效率和安全性。在環(huán)境保護領域，可用于污染物的降解和二氧化碳的捕集與轉化，助力實現(xiàn)碳中和目標。

產(chǎn)品展示

      將太陽能轉化為熱能，并將其轉化為化學能的催化反應，光熱催化反應。根據(jù)能量轉換路徑以及熱能和電子激發(fā)起到催化反應作用程度的不同，將光熱催化分類為光輔助熱催化，熱輔助光催化以及光熱協(xié)同催化。

      SSC-PTCR光致熱催化反應系統(tǒng)，實現(xiàn)了雙光源照射，提高了光致熱的能量輸出，加快光催化實驗的進度，可以實時監(jiān)測催化劑溫度；配套的質(zhì)量流量PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各種反應氣體的任意匹配，更有利于實驗的調(diào)整，配方的研發(fā)。

      SSC-PTCR光致熱催化反應系統(tǒng)，配合控溫和磁力攪拌器，直接升級為釜式光熱催化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)一機多用，多種體系下評價催化劑的活性。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1)、自主研發(fā)控溫系統(tǒng)，杜絕溫度過沖；

2)、配置藍寶石晶體窗口，具有高強度、高硬度，耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕，透光性能好、電絕緣性能優(yōu)良；

3)、內(nèi)部磁力攪拌；

4)、內(nèi)含粉末催化劑放置平臺，氣體與催化劑充分接觸；

5)、釜體內(nèi)部即可實現(xiàn)氣固反應，也可以實現(xiàn)氣液反應；

6)、實現(xiàn)在高壓（<5MPa）高溫(<250℃)下的材料催化；

7)、法蘭雙線密封技術，解決密封泄漏問題；

8)、配置高質(zhì)量針型閥、三通球閥、壓力表，實現(xiàn)了靈活控制釜體壓力；

9)、配置安全卸荷閥，給實驗安全環(huán)境又添了一道安全；

10)、釜內(nèi)配置有報警，當出現(xiàn)超溫、超壓情況時，自動切斷加熱電源，讓操作更安全；

11)、反應釜還采用雙線槽柔性密封，良好的密封結構解決了攪拌存在的泄露問題，使整個介質(zhì)和攪拌部件處于密封的狀態(tài)中進行工作，因此更適合用于各種易燃易爆、貴重介質(zhì)及其它滲透力強的化學介質(zhì)進行攪拌反應。