光致热催化：跨越光催化与热催化的桥梁

在催化技术的发展历程中，光催化与热催化始终是两大核心方向，各自在能源转化、环境治理等领域发挥着重要作用。然而，两者均存在难以突破的技术瓶颈 —— 光催化依赖特定波长的光能输入，量子效率低且反应速率受限；热催化则需要高温条件驱动，能耗高且易导致催化剂烧结失活。在 “双碳" 目标与绿色技术革命的推动下，一种融合两者优势的新型催化技术 ——光致热催化应运而生，成为跨越光催化与热催化的关键桥梁，为解决能源与环境领域的复杂问题提供了全新思路。

一、光致热催化的核心原理：光能与热能的协同转化

      光致热催化的本质的是通过 “光 - 热 - 催化" 的协同作用，打破传统催化技术的局限。其核心过程可分为三个关键步骤：

      首先是光热转换，催化剂通过吸收太阳光（尤其是近红外光等能量密度较高的波段），将光能转化为热能，使催化剂表面温度快速升高至热催化所需的反应温度区间（通常为 200-800℃）；其次是光激发作用，部分特定结构的催化剂（如等离子体金属纳米颗粒、半导体 - 金属异质结）在光照下会产生光生载流子（电子 - 空穴对），这些载流子可直接参与催化反应，降低反应活化能；最后是热催化强化，光热转换产生的热能不仅为反应提供了必要的能量，还能激活催化剂表面的活性位点，提升反应速率，同时光生载流子的存在可抑制热催化过程中的副反应，提高目标产物的选择性。

      这种 “光热耦合" 机制，既规避了光催化对光能的单一依赖，又降低了热催化对外部高温加热的需求，实现了 “1+1>2" 的催化效果。例如，在 CO₂还原反应中，传统光催化的 CO 生成速率仅为几 μmol・g⁻¹・h⁻¹，传统热催化需在 400℃以上才能达到可观活性，而光致热催化在模拟太阳光照射下，即可实现 CO 生成速率超 100μmol・g⁻¹・h⁻¹，且产物选择性接近 100%。

二、光致热催化与传统催化技术的差异：从 “单一驱动" 到 “协同驱动"

      为更清晰地理解光致热催化的桥梁作用，可通过对比其与光催化、热催化的核心特征，看其如何弥补两者的不足：

      从对比可见，光致热催化的核心优势在于 **“协同驱动"**：以太阳光为清洁能量来源，通过光热转换实现 “自加热"，无需外部高温设备，解决了热催化的高能耗问题；同时，光生载流子的参与提升了量子效率，避免了光催化 “低效、依赖特定光源" 的短板。这种特性使其既能应用于光催化擅长的常温反应（如污染物降解），又能胜任热催化主导的高温反应（如 CO₂还原、甲烷重整），真正实现了对两种传统技术的 “跨界融合"。

三、光致热催化的应用场景：从实验室走向产业化

      凭借 “光热协同" 的独特优势，光致热催化已在多个领域展现出产业化潜力，成为解决能源转化与环境治理难题的关键技术：

1. 能源转化领域：高效利用可再生能源

      在太阳能制氢方面，传统光催化分解水制氢面临 “产氢速率低、需牺牲剂" 的问题，而光致热催化可通过光热转换将催化剂温度提升至 300-500℃，同时利用光生载流子激活水分子，实现 “光热协同制氢"。例如，中科院团队开发的 Au/TiO₂@碳纳米管复合催化剂，在模拟太阳光照射下，光致热转换效率达 85%，产氢速率达 560μmol・g⁻¹・h⁻¹，是传统光催化的 10 倍以上。

      在 CO₂资源化利用方面，光致热催化可在中低温下实现 CO₂与 H₂、CH₄的反应，生成 CO、CH₃OH 等燃料。美国斯坦福大学的研究表明，使用 Ni 基光致热催化剂，在太阳光照射下，CO₂甲烷化反应的转化率可达 92%，产物 CH₄的选择性超 95%，且反应过程无需外部加热，能耗仅为传统热催化的 1/5。

2. 环境治理领域：高效降解难处理污染物

      对于工业废水中的持久性有机污染物（如苯酚、抗生素），传统光催化降解速率慢，而热催化需高温条件难以应用于水溶液体系。光致热催化可通过光热转换使催化剂表面温度升高至 80-150℃（水溶液体系耐受范围内），同时光生载流子产生羟基自由基（・OH），加速污染物降解。例如，清华大学开发的 Bi₂WO₆/ 石墨烯光致热催化剂，在可见光照射下，1 小时内即可将苯酚降解率从传统光催化的 35% 提升至 98%，且催化剂可重复使用 10 次以上，稳定性优异。

3. 工业催化领域：替代传统高能耗工艺

      在化工行业的 “甲烷重整制合成气" 工艺中，传统热催化需在 800-1000℃高温下进行，能耗占整个工艺的 40% 以上。光致热催化可利用太阳光实现 “自加热"，将反应温度降至 500-600℃，同时提升甲烷转化率至 90% 以上。目前，沙特阿美石油公司已启动光致热催化甲烷重整的中试项目，预计未来可降低该工艺能耗 30%-40%。

四、挑战与展望：推动光致热催化走向成熟

      尽管光致热催化展现出巨大潜力，但要实现产业化应用，仍需突破三大核心挑战：

      一是高效光热催化剂的设计。目前多数催化剂的光热转换效率（尤其是对可见光、近红外光的吸收）仍不足 70%，且光生载流子复合率较高。未来需通过精准调控催化剂的形貌、晶面、异质结构（如半导体 - 金属 - 碳材料复合体系），提升光热转换效率与载流子分离效率。

      二是反应机理的深入研究。当前对光致热催化中 “光 - 热 - 催化" 的协同作用机制仍不明确，例如光能与热能如何共同影响反应活化能、光生载流子的作用路径等。需结合原位表征技术（如原位 XRD、原位 XPS、原位 Raman）与理论计算（DFT、分子动力学模拟），揭示反应机理，为催化剂设计提供理论指导。

      三是规模化反应装置的开发。实验室研究多采用小尺寸反应器（毫升级），而产业化需扩大至立方米级，如何保证太阳光在大体积反应器内的均匀照射、催化剂的高效回收与循环利用，仍是亟待解决的问题。

      展望未来，随着材料科学、能源工程与催化化学的交叉融合，光致热催化有望在以下方向取得突破：一是开发 “全光谱响应" 的光热催化剂，实现对太阳光的高效利用；二是构建 “光致热催化 - 产物分离" 一体化装置，降低产业化成本；三是将光致热催化与储能技术结合，实现夜间或阴天的持续反应。

      作为跨越光催化与热催化的桥梁，光致热催化不仅为催化技术的发展提供了新范式，更为实现 “碳达峰、碳中和" 目标提供了关键技术支撑。未来，随着技术的不断成熟，光致热催化有望在能源转化、环境治理、工业催化等领域实现规模化应用，成为推动绿色低碳发展的核心技术之一。

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强的化学介质进行搅拌反应。