光热协同效应：下一代高效催化反应系统的关键

      在碳中和目标与能源结构转型的双重驱动下，催化技术作为绿色化工、能源转化与环境治理的核心支撑，正面临着“高效化、低碳化、精准化"的升级需求。传统单一催化模式存在固有瓶颈：光催化受限于光吸收范围窄、载流子复合率高，能量利用率通常低于5%；热催化依赖高温驱动，不仅能耗高昂，还易引发催化剂烧结、副反应增多等问题。光热协同效应通过巧妙融合光能与热能的优势，构建“光激发-热强化"的协同机制，实现了反应动力学、能量利用效率与产物选择性的同步跃升，成为突破传统催化局限、构筑下一代高效催化反应系统的核心关键。

一、光热协同效应的核心机制：从“互补"到“倍增"的催化革新

      光热协同效应的本质的是通过光热材料构建能量转化闭环，使光能与热能不再是独立作用，而是形成“光促热效、热助光反应"的双向协同，从微观层面重构催化反应路径。其核心机制体现在三个维度的突破，实现了“1+1>2"的催化增效。

（一）光热转换与局域热场构建

      光热协同体系的基础是高效的光热转换能力，光热材料通过局域表面等离子体共振（LSPR）效应或宽光谱吸收特性，将太阳能（尤其是可见光与红外光）转化为晶格热能，形成精准可控的局域高温微环境（温度范围可覆盖50-500℃）。与传统宏观加热不同，这种局域热场仅集中于催化剂活性位点附近，既能显著降低反应活化能，又能避免整体体系高温导致的能耗浪费与催化剂失活。例如，金纳米颗粒（Au NPs）修饰的Au@SiO₂核壳结构，在500-800 nm波段的光热转换效率可达85%，为后续催化反应提供稳定的热支撑。

（二）热效应强化电荷动力学过程

      热能对光生载流子行为的调控是协同效应的核心亮点。传统光催化中，光生电子-空穴对极易快速复合，导致量子效率低下；而光热协同体系中，局域热能可通过晶格振动加速电子从催化剂体相向表面活性位点迁移，同时抑制电子-空穴复合，将载流子寿命延长至微秒级。如TiO₂@碳量子点复合材料在光照与150℃热场协同作用下，载流子分离效率较单一光催化提升40%，为表面 redox 反应提供充足活性物种。此外，热能还能降低电荷传输阻抗，优化反应物分子在催化剂表面的吸附-解离动力学，进一步强化反应进程。

（三）热力学与动力学的协同优化

      光热协同效应通过改变反应路径，同时降低热力学能垒与动力学阻力，使原本难以进行的反应在温和条件下高效开展。光能通过激发电子参与反应物活化（如削弱CO₂的C=O键、烷烃的C-H键），降低反应起始能垒；热能则加速中间体转化与产物脱附，缓解反应动力学瓶颈。密度泛函理论（DFT）计算证实，在Cu₁/TiO₂光热催化体系中，表面羟基自由基（•OHₛ）参与的丙烷脱氢反应，C-H键断裂能垒可降至0-0.09 eV，且整体反应路径能量呈下行趋势，实现了近室温下的高效脱氢。这种协同作用甚至可使部分反应的吉布斯自由能（ΔG）降低30-50%，从热力学层面拓宽了催化反应的应用边界。

二、关键材料设计：光热协同效应的载体与赋能核心

      光热协同效应的高效发挥，依赖于多功能光热催化材料的精准设计——这类材料需同时具备优异的光吸收、光热转换、电荷分离与催化活性，其结构设计直接决定协同效率的上限。当前研究聚焦于三类核心材料体系，通过结构优化与界面调控，光热协同效能。

（一）等离子体金属-半导体杂化材料

      金属-半导体杂化体系是光热协同催化的经典构型，通过金属纳米颗粒的LSPR效应实现高效光热转换，同时借助半导体的光催化活性构建协同界面。例如，负载在TiO₂上的铜单原子催化剂（Cu₁/TiO₂），在水蒸气环境中可通过光热协同实现近室温（50-80℃）丙烷脱氢，利用光催化分解水产生•OHₛ提取丙烷氢原子形成丙烯，氢气则来自水的裂解，避免了产物过氧化与催化剂积碳。这类材料的核心优势在于金属与半导体的界面相互作用，可精准调控电荷转移路径与热场分布，为反应选择性优化提供支撑。

（二）拓扑结构优化的光热材料

      催化剂的几何拓扑结构对光吸收、热传导与活性位点暴露具有决定性影响。受自然界图灵结构启发，研究人员开发出具有周期性网络结构的光热催化剂，通过自发对称破缺形成丰富晶界与缺陷。如石墨碳纳米片（g-CNS）负载的图灵型Ta₂O₅纳米网催化剂，g-CNS高效捕获全光谱光能并转化为热能，Ta₂O₅纳米网的迷宫状结构暴露大量低配位Ta位点，将CO₂还原至CO的自由能垒从3.16 eV降至2.17 eV，在无外部加热条件下，催化剂表面温度可达227℃，CO产率较非图灵结构样品提升19倍。

（三）缺陷工程与异质结复合材料

      缺陷工程与异质结构建是优化光热协同性能的重要手段。通过引入氧空位、硫空位等缺陷，可拓宽材料光响应范围至近红外区，同时提升光热转换效率与电荷分离能力；而Z型异质结、金属-有机框架（MOFs）等复合结构，可通过能带匹配实现光生电子定向传输，结合热激发进一步强化协同效应。例如，UiO-66-NH₂负载Co纳米颗粒的MOFs复合材料，兼具高比表面积与精准光热活性位点，在挥发性有机物（VOCs）降解中实现99%转化率；黑色TiO₂的氧空位缺陷使其光吸收范围覆盖全光谱，光热转换效率显著优于纯TiO₂，为低温催化提供能量保障。

三、核心应用场景：光热协同驱动催化系统升级

      凭借“低温高效、节能减耗、选择性优异"的优势，光热协同效应已在绿色化工、能源转化、环境治理等关键领域展现出突破性应用潜力，推动催化系统从传统高温高能耗模式向太阳能驱动的温和高效模式转型。

（一）绿色化工：温和条件下的高效转化

      在烷烃脱氢、选择性加氢等传统高温化工反应中，光热协同效应可大幅降低反应温度，提升产物选择性与催化剂稳定性。上海高研院团队开发的Cu₁/TiO₂光热催化体系，在自然光照与水蒸气环境下，可在低至10℃的条件下实现丙烷脱氢制丙烯，即“太阳晒一晒，丙烷变丙烯"，改变了传统丙烷脱氢需550-750℃高温的工艺现状，既节省化石能源消耗，又避免催化剂烧结与积碳。在苯甲醛加氢反应中，Pd/Ni(OH)₂催化剂通过光热协同，将苯甲醇选择性从纯热催化的70%提升至98%，为精细化工合成提供了高效路径。

（二）能源转化：太阳能高效利用与存储

      光热协同效应为太阳能驱动的能源转化提供了高效解决方案，尤其在水分解制氢与CO₂资源化领域成效显著。在水分解制氢中，聚光光热耦合系统通过拓宽太阳能光谱利用范围，结合光热界面解耦技术突破传质瓶颈，使太阳能到氢能的转化效率可达5%以上，远超单一光催化水平。Mo₂C/MoS₂异质结光热体系在模拟太阳光与200℃条件下，产氢速率达12.8 mmol·g⁻¹·h⁻¹，是纯光催化的6倍。在CO₂还原领域，图灵型Ta₂O₅纳米网催化剂在全光谱辐照下，CO选择性达85.5%，户外自然光条件下仍保持稳定活性，为碳捕获与利用（CCUS）技术提供了高效转化路径。

（三）环境治理：低温高效的污染物净化

      光热协同催化为工业废气、废水处理提供了低碳解决方案，可在低温条件下实现污染物的高效降解与矿化。在VOCs治理中，TiO₂负载贵金属催化剂在模拟太阳光与150℃条件下，甲苯去除率达95%以上，矿化率超90%，避免了传统处理技术的二次污染。在废水净化领域，Fe₃O₄@TiO₂磁性纳米颗粒在可见光与50℃协同作用下，2小时内可降解90%的有机染料，且可通过磁回收重复使用10次以上，兼顾处理效率与经济性。在车载空气净化中，CuO/CeO₂光热催化体系在80℃低温下将NOₓ转化为无害N₂的效率达95%，已进入中试应用阶段。

四、现存挑战与未来突破方向

      尽管光热协同效应为催化系统升级提供了核心路径，但从实验室研究走向工业化应用，仍面临材料稳定性、能量匹配、成本控制三大核心瓶颈，需通过跨学科创新实现突破。

（一）材料稳定性与长效性提升

      高温环境下，贵金属纳米颗粒易团聚烧结，非贵金属催化剂易发生结构相变与活性位点流失，导致催化性能衰减。例如，Au NPs在温度超过300℃时易团聚，丧失LSPR效应。未来需开发耐高温载体（如蜂窝陶瓷、碳化硅），通过界面修饰构建稳定的金属-载体相互作用，同时设计动态响应材料（如温敏聚合物），实时调控光热耦合强度，延长催化剂使用寿命。

（二）能量匹配与系统集成优化

      现有光热协同系统存在能流密度与反应动力学不匹配的问题，光热转换效率、热传导速率与催化反应速率难以协同优。解决方案包括构建智能调控系统，结合机器学习算法动态优化光强、温度与反应氛围；开发全光谱响应材料，通过反应器结构优化（如蜂窝状整体式反应器），强化光热传递与传质过程，实现系统级能效提升。

（三）低成本规模化与多技术融合

      贵金属的高成本限制了光热催化技术的规模化应用，亟需开发Fe、Co、Cu基非贵金属替代体系，同时通过3D打印、原位生长等低成本制造技术，降低催化剂制备成本。此外，未来光热协同效应将向多场耦合方向拓展，与电催化、压电催化等技术融合构建“光-热-电"多场协同体系，进一步突破单一协同模式的局限，为碳中和、氢经济等领域提供全链条技术支撑。

五、结语

      光热协同效应通过重构光能与热能的转化路径，突破了传统催化模式的固有瓶颈，实现了催化效率、能耗控制与产物选择性的优化，成为构筑下一代高效催化反应系统的核心基石。从金属-半导体杂化材料到图灵结构催化剂的设计创新，从近室温丙烷脱氢到全光谱CO₂还原的应用突破，光热协同技术正逐步从实验室走向工业化，为绿色化工、清洁能源与环境治理带来革命性变革。未来，随着材料科学、反应工程与人工智能的深度融合，光热协同效应将在解决能源与环境关键难题中发挥更重要作用，为可持续发展提供核心技术支撑。

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。