基于顶照构型的光热催化评价装置性能提升策略：以光热协同效率为核心

一、引言

      光热催化技术通过光能与热能的协同作用，突破传统光催化 “光生载流子分离效率低" 和热催化 “反应活化能高" 的局限，在 CO₂还原、VOCs 降解、能源小分子转化等领域展现出广阔应用前景。评价装置作为光热催化研究的 “核心工具"，其性能直接决定催化材料活性、反应动力学参数等关键数据的准确性。

      顶照构型因光源与催化体系的作用路径短、装置集成度高，成为主流设计方案之一，但实际应用中存在显著性能短板：一是顶照光源易出现中心能量集中、边缘能量衰减的 “高斯分布" 问题，导致催化表面光强分布不均，部分区域 “光过剩" 而部分区域 “光不足"，破坏光热协同的均匀性；二是光模块与热模块独立控制时，易出现 “光热不同步"，如光照强度提升后，加热速率未及时匹配，或局部温度过高导致光吸收效率下降，削弱光热协同效应；三是反应腔内部气流扰动、温度梯度差异等，进一步加剧光热分布的不均匀性，影响评价结果的重复性。

      基于此，本文聚焦顶照构型的结构特性与性能瓶颈，通过多维度优化实现装置性能的突破，为光热催化材料的高效筛选与反应机制研究提供可靠的评价平台。

二、顶照构型光热催化评价装置的性能瓶颈分析

2.1 光源系统：光强分布不均与能量损耗显著

      顶照构型中，光源（如氙灯、LED 阵列）通常垂直悬挂于催化样品正上方，其光强分布直接决定催化表面的光能输入均匀性。目前主流装置普遍采用单光源直射设计，受光学透镜聚焦特性、光源本身发光角度限制，催化表面光强呈现 “中心强、边缘弱" 的高斯分布，光强差异可达 30%-50%。例如，在直径为 20mm 的催化样品上，中心区域光强可达 100mW/cm²，而边缘区域仅为 50-60mW/cm²，导致样品不同区域的光生载流子生成速率差异显著，光热协同作用失衡。

      同时，光源系统的能量损耗问题突出：一方面，光源外壳、反应腔顶部石英窗口的反射与吸收，导致实际到达催化表面的光能利用率仅为 60%-70%；另一方面，部分装置未针对特定催化反应的特征吸收波长优化光源光谱，如用于 CO₂还原的光热催化剂（如 In₂O₃-x）对 400-600nm 可见光吸收较强，若采用广谱氙灯且未配备滤光系统，大量红外与紫外光能量被浪费，进一步降低光能利用效率，制约光热协同的能量基础。

2.2 光热耦合：协同机制调控不足

      光热协同效率的核心在于 “光" 与 “热" 的精准匹配 —— 光能激发催化材料产生光生载流子，热能降低反应活化能，二者需在时间与空间维度保持同步。但顶照构型装置中，光模块（光源功率、光谱）与热模块（加热方式、温度控制精度）多为独立控制，易出现 “协同失配" 问题：

     从时间维度看，当调整光源功率以提升光能输入时，加热系统的响应延迟（通常为 5-10s）导致温度未能及时匹配，若光强骤增而温度未同步升高，光生载流子易因 “热动力不足" 难以参与反应，导致复合率上升；反之，若加热温度过高而光强不足，催化材料表面易形成 “热团聚"，降低光吸收活性位点数量。

      从空间维度看，顶照光源的不均匀性与加热系统的温度梯度叠加，形成 “光热热点区" 与 “光热薄弱区"。例如，采用底部电阻加热时，催化样品底部温度高于顶部，而顶部受顶照光源直接照射光强更高，导致样品内部 “上光下热" 的分布差异，光热协同作用在空间上相互割裂，无法形成高效的协同效应。

2.3 反应腔结构：环境干扰削弱协同稳定性

       反应腔作为催化反应与光热作用的核心场所，其结构设计直接影响光热协同的稳定性。顶照构型装置的反应腔存在三大问题：一是气流扰动，反应气通常从反应腔侧面通入，若进气口与出气口布局不合理，气流易在催化样品表面形成漩涡，导致局部区域反应物浓度波动，同时气流带走的热量会加剧样品表面温度梯度，破坏光热分布的稳定性；二是腔体内壁反射干扰，部分反应腔采用金属内壁，未进行防反射处理，顶照光源的杂散光经内壁反射后，在样品表面形成 “光干涉条纹"，进一步加剧光强分布不均；三是样品台设计缺陷，传统样品台多为平面结构，催化样品与样品台的热接触不良，导致局部热传导效率低，形成 “热孤岛"，与光照区域形成错配，削弱光热协同效果。

2.4 检测与控制：数据反馈滞后影响协同精度

       光热催化评价装置的性能依赖实时、精准的检测与控制，但现有顶照构型装置存在明显短板：一是检测模块与光热作用不同步，如采用离线色谱分析产物时，数据反馈延迟超过 10min，无法及时反映光热参数调整对反应的影响，难以实现光热协同的动态优化；二是传感器布局不合理，温度传感器多置于样品台底部而非催化样品表面，无法准确捕捉样品实际温度（与表面温度偏差可达 5-10℃），导致加热控制基于 “间接温度"，与实际光热需求脱节；三是缺乏光热协同控制算法，现有装置多采用 “光强固定、调节温度" 或 “温度固定、调节光强" 的单一控制逻辑，未建立光热参数与催化反应速率的关联模型，无法根据反应实时状态动态优化光热协同关系。

三、以光热协同效率为核心的性能提升策略

3.1 光源系统优化：实现均匀高效的光能输入

针对顶照光源光强分布不均与能量损耗问题，从光源构型、光学设计、光谱匹配三方面进行优化：

3.1.1 多光源阵列与光学匀光设计

      摒弃传统单光源直射方案，采用 “中心主光源 + 环形辅助光源" 的阵列式顶照构型：中心主光源（如大功率 LED）提供基础光强，环形辅助光源（由 8-12 个小功率 LED 组成）填补边缘光强空缺，通过独立调节主、辅光源功率，实现催化样品表面光强分布均匀性提升至 90% 以上。同时，在光源与反应腔之间增设 “微透镜阵列 + 积分球" 组合光学系统：微透镜阵列将点光源转化为面光源，积分球通过多次漫反射进一步消除光强差异，经实验验证，优化后样品表面最大光强偏差可控制在 5% 以内，远优于传统装置的 30%-50%。

3.1.2 高效光能传输与光谱匹配

       为降低能量损耗，采用高透光率（>95%）的石英玻璃作为反应腔窗口，并在窗口表面镀制增透膜（针对目标波长的反射率 < 1%），将光能传输效率从 60%-70% 提升至 85% 以上。同时，基于催化反应的特征吸收波长进行光源光谱定制：例如，针对光热 CO₂还原反应，选用 400-600nm 波段的窄带 LED 阵列作为光源，配合滤光片滤除无关波长，使有效光能利用率提升 40%-50%；对于宽光谱响应的催化剂（如碳基复合材料），则采用可调谐氙灯，通过软件控制实时调整光谱分布，确保光能与催化剂吸收特性精准匹配。

3.2 光热耦合机制调控：构建时空同步的协同体系

以 “光热时空同步" 为目标，通过硬件集成与智能控制，强化光热协同效应：

3.2.1 光热一体化模块设计

     将顶照光源与加热系统集成为 “光热协同模块"：采用 “环形光源 + 环形加热片" 的同轴设计，环形加热片嵌套于环形光源内侧，与催化样品保持相同中心轴，实现光照与加热的 “同心作用"。加热片选用石墨烯柔性材料，具有快速升温（响应时间 < 2s）、温度均匀性高（偏差 < 2℃）的优势，可与光源同步启停、动态调节。实验表明，该一体化模块可使光热参数调整的同步性误差控制在 1s 以内，有效避免 “光热不同步" 问题。

3.2.2 基于反应动力学的光热协同控制算法

      建立 “光热参数 - 反应速率" 关联模型，通过实时检测反应产物浓度（如采用在线气相色谱，检测频率为 1 次 / 30s），动态优化光强与温度的匹配关系。例如，当检测到反应速率下降时，算法可自动判断是 “光不足" 还是 “热不足"：若光生载流子信号（通过原位荧光光谱检测）减弱，则优先提升光强；若反应活化能（通过 Arrhenius 曲线计算）偏高，则同步升高温度。该算法通过 PID 自适应控制，使光热协同效率始终维持在区间内，在 CO₂还原反应评价中，可使催化转化效率提升 25%-30%。

3.3 反应腔结构改进：营造稳定的光热反应环境

针对反应腔内部干扰因素，从气流组织、内壁处理、样品台设计三方面优化：

3.3.1 流线型气流通道设计

       采用 “顶部进气 - 底部出气" 的气流路径，与顶照光源的作用方向一致：反应气从反应腔顶部环绕光源的环形进气口通入，经流线型导流板引导，形成均匀的层流气流，垂直作用于催化样品表面，再从样品台下方的多孔出气口排出。这种设计可避免气流漩涡，使样品表面反应物浓度偏差控制在 3% 以内，同时减少气流对样品温度的影响，温度波动幅度从 ±5℃降至 ±1℃。

3.3.2 低反射内壁与温度缓冲层设置

      在反应腔内壁镀制哑光吸光涂层（吸收率 > 90%），抑制杂散光反射，消除 “光干涉条纹" 对光强均匀性的影响。同时，在反应腔外侧包裹陶瓷纤维保温层（厚度 5mm），并在保温层与腔壁之间设置空气缓冲层，减少腔体内外的热交换，使反应腔内部温度梯度从 10℃/cm 降至 2℃/cm 以下，进一步提升光热分布的稳定性。

3.3.3 导热增强型样品台开发

      采用 “铜基基板 + 石墨烯导热膜" 的样品台结构，铜基基板确保整体导热性能，石墨烯导热膜（厚度 10μm）直接与催化样品接触，降低界面热阻（从 50m²・K/W 降至 5m²・K/W 以下）。同时，样品台表面设计为微凹槽结构，与催化样品尺寸精准匹配，避免样品移位导致的光热作用偏差，使样品表面温度均匀性提升至 95% 以上。

3.4 辅助系统升级：提升检测精度与控制可靠性

通过升级检测与控制辅助系统，为光热协同效率优化提供数据支撑与执行保障：

3.4.1 原位多参数检测系统集成

       在装置中集成原位表征模块，实现光热作用与催化反应的实时监测：一是采用原位漫反射紫外 - 可见光谱，实时检测催化剂的光吸收强度与波长响应，反馈光源光谱匹配度；二是通过原位红外热成像仪，直观捕捉催化样品表面的温度分布，分辨率可达 0.1℃，及时发现 “热孤岛" 等问题；三是利用在线质谱仪，实现产物的快速定性定量分析（响应时间 < 10s），为光热协同控制算法提供实时数据输入。

3.4.2 高精度闭环控制系统构建

      采用 “双传感器反馈 + 双通道控制" 模式：在催化样品表面嵌入微型光纤温度传感器（精度 ±0.1℃），替代传统样品台底部传感器，实现样品实际温度的精准检测；同时，在反应腔内部设置光强传感器（精度 ±1mW/cm²），实时监测到达样品表面的实际光强。两个传感器的数据实时传输至中央控制器，通过双通道 PID 控制分别调节加热系统与光源，使光强与温度的控制精度较传统装置提升 1 个数量级，确保光热协同参数的稳定性。

四、性能验证与结果分析

       为验证所提提升策略的有效性，搭建优化后的顶照构型光热催化评价装置，并以 “TiO₂@C 复合光热催化剂降解甲苯" 为模型反应，与传统顶照装置进行性能对比，测试指标包括光热协同效率、评价结果重复性、能量利用率。

4.1 实验方案设计

     催化样品：采用溶胶 - 凝胶法制备的 TiO₂@C 复合催化剂，粒径约 50nm，负载于石英玻片上（直径 20mm）；

     反应条件：甲苯初始浓度 100ppm，反应气流量 50mL/min，光照波长 400-700nm，反应温度 200-300℃；

     测试方法：通过在线气相色谱检测甲苯降解率，计算光热协同效率（定义为 “实际降解率与理论单独光催化 + 单独热催化降解率之和的比值"）；重复实验 5  次，统计降解率的相对标准偏差（RSD）；通过电能表记录装置总能耗，计算能量利用率（降解单位质量甲苯的能耗）。

4.2 性能对比结果

    性能指标       传统顶照装置       优化后装置    提升幅度

    光热协同效率       0.62 0.85 37.1%

    评价结果重复性（RSD）    8.7% 4.2% 51.7%

    能量利用率（g/kWh） 0.85 1.12 31.8%

    样品表面光强均匀性    65%  92%  41.5%

    样品表面温度均匀性    80%  96%  20.0%

4.3 结果分析

    从数据可知，优化后装置的核心性能指标均显著提升：

     光热协同效率从 0.62 提升至 0.85，主要得益于光源均匀性优化（光强均匀性从 65% 升至 92%）与光热一体化控制（同步性误差 <1s），消除了 “光热错配" 问题，使光生载流子利用与反应活化能降低形成高效协同；

     评价结果重复性（RSD）从 8.7% 降至 4.2%，归因于反应腔气流组织优化（浓度偏差 < 3%）与温度梯度控制（<2℃/cm），减少了环境干扰对反应的影响；

     能量利用率提升 31.8%，一方面源于光谱匹配设计（有效光能利用率提升 40%-50%），另一方面得益于光热协同控制算法，避免了光热参数的盲目调节导致的能量浪费。

     此外，通过原位红外热成像观察发现，优化后装置的催化样品表面温度分布均匀，无明显 “热热点"，与光强分布高度匹配，进一步验证了光热协同效果的提升。

五、结论与展望

      本文针对顶照构型光热催化评价装置的性能瓶颈，提出以光热协同效率为核心的多维度提升策略，通过光源系统优化、光热耦合机制调控、反应腔结构改进、辅助系统升级，有效解决了传统装置光强不均、光热不同步、环境干扰大等问题。实验验证表明，优化后的装置光热协同效率提升 37.1%，评价重复性误差控制在 5% 以内，能量利用率提升 31.8%，为光热催化性能评价提供了高效、精准的技术方案。

      未来研究可从两方面进一步突破：一是引入人工智能技术，基于大量催化评价数据训练光热协同优化模型，实现 “预测性调控"，进一步提升装置的智能化水平；二是拓展装置的多功能性，集成原位 X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）等表征模块，实现光热催化反应过程中催化剂结构与成分变化的实时追踪，为深入解析光热催化机制提供更全面的技术支撑。

产品展示

   产品详情：

     SSC-TPTC光热催化反应评价装置为系统研究光热催化反应提供了平台，采用石英导光柱直接将光源导入到催化剂表面，提升光+催化剂+反应物的接触面积，提升光热催化的效率，更好的评价催化剂的真实性能。

    产品应用：

催化剂材料气氛烧结；催化剂材料的活性评价；

气固相光热催化反应；气体污染物的光热催化降解；

甲烷重整制氢；二氧化碳还原；甲烷/二氧化碳重整；甲烷偶联；

乙烷脱氢；费托合成；水煤气合成；

合成氨；VOCs光热催化降解；

大气中NOx以及硫化物的转化机理研究；

全新的光照系统，提升光的利用效率；