協同增效：光能與熱能共驅催化的機制與應用

一、引言

      催化反應在化學工業、能源轉化和環境保護等領域起著至關重要的作用。傳統的催化過程主要依賴熱能驅動，但單一的熱能驅動存在能量利用效率有限、反應選擇性不足等問題。近年來，隨著光催化技術的發展，光能與熱能的協同作用在催化領域展現出巨大的潛力。光能與熱能共驅催化通過巧妙地結合兩種能量形式，實現了對催化反應的高效調控，為解決傳統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催化的機制，并綜述其在不同領域的應用進展。

二、光能與熱能共驅催化的機制

（一）光生載流子與熱活化的協同作用

      在光催化過程中，半導體催化劑吸收光能后，價帶中的電子躍遷到導帶，形成光生電子 - 空穴對。這些光生載流子具有較高的反應活性，能夠參與氧化還原反應。而熱能的引入可以提高反應物分子的動能，增加其與催化劑表面的碰撞頻率，同時促進反應物分子的吸附和活化。當光能與熱能共同作用時，光生載流子的產生和熱活化過程相互促進。一方面，熱能可以加速光生電子 - 空穴對的分離，減少其復合幾率，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的活化能，使得在較低的溫度下即可實現高效的催化反應。例如，在 TiO? 光催化降解有機污染物的過程中，適當升高溫度可以顯著提高降解速率，這是由于熱活化促進了有機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了氧化還原反應的效率。

（二）表面等離子體共振與熱效應的協同

      對于金屬納米顆粒催化劑，當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，會產生表面等離子體共振（SPR）效應。SPR 效應不僅能夠增強催化劑對光的吸收，還會產生局部高溫區域，形成熱效應。這種局部高溫可以進一步促進催化反應的進行，同時與光能產生協同作用。例如，在金納米顆粒修飾的 TiO? 催化劑中，SPR 效應引起的局部熱效應可以提高反應物分子的活化能，同時增強光生載流子的產生和分離效率，從而顯著提高光催化產氫效率。此外，表面等離子體共振產生的熱效應還可以調節催化劑的表面結構和電子狀態，進一步優化催化性能。

（三）熱激發與光激發的能量傳遞

      在一些復合催化劑體系中，熱能和光能可以通過能量傳遞的方式實現協同作用。例如，在熒光分子與催化劑的復合體系中，熒光分子吸收光能后躍遷到激發態，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狀態。這種熱激發狀態的催化劑具有更高的反應活性，能夠促進催化反應的進行。同時，催化劑在熱激發過程中釋放的能量又可以反饋給熒光分子，增強其光能吸收和能量傳遞效率，形成一個良性的協同循環。這種能量傳遞機制在光催化有機合成反應中具有重要的應用價值，能夠顯著提高反應的產率和選擇性。

三、光能與熱能共驅催化的應用

（一）能源轉化領域

1. 光熱協同催化分解水制氫

      分解水制氫是解決能源危機和環境污染問題的重要途徑之一。傳統的光催化分解水制氫效率較低，主要受到光生載流子復合率高和反應活化能高的限制。光能與熱能共驅催化技術為提高分解水制氫效率提供了新的途徑。例如，研究人員開發了一種基于 WO? / Co?O? 的光熱協同催化劑，在模擬太陽光照射下，通過調節溫度實現了光能與熱能的協同作用。結果表明，該催化劑的產氫速率顯著高于單一光催化或熱催化體系。這是由于在光熱協同作用下，WO? 吸收光能產生光生載流子，Co?O? 作為助催化劑不僅促進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的活化能，從而實現了高效的產氫過程。

2. 光熱協同催化二氧化碳還原

      將二氧化碳轉化為可再生燃料和化學品是實現碳循環和緩解溫室效應的重要策略。光能與熱能共驅催化在二氧化碳還原反應中具有優勢。例如，利用銅基光熱催化劑在光照和加熱條件下實現了二氧化碳向甲醇的高效轉化。在該體系中，光能激發銅納米顆粒產生表面等離子體共振效應，不僅增強了對二氧化碳的吸附和活化，還產生了局部熱效應，提高了反應速率。同時，熱能的引入可以促進中間體的轉化和產物的脫附，從而提高反應的選擇性和產率。研究表明，與單一的光催化或熱催化相比，光熱協同催化二氧化碳還原的甲醇產率提高了數倍。

（二）環境保護領域

1. 光熱協同催化降解有機污染物

      工業廢水中含有大量的有機污染物，如染料、農藥和 pharmaceuticals 等，這些污染物具有毒性高、難降解等特點，對生態環境和人類健康造成了嚴重威脅。光能與熱能共驅催化技術在降解有機污染物方面具有高效優點。例如，采用 ZnO /g - C?N? 復合催化劑在可見光照射和加熱條件下對羅丹明 B 染料進行降解。結果表明，光熱協同作用下的降解速率明顯高于單一光催化或熱催化體系。這是因為 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了染料分子在催化劑表面的吸附和反應中間體的氧化分解，從而實現了對有機污染物的高效去除。

2. 光熱協同催化處理揮發性有機化合物（VOCs）

      揮發性有機化合物是大氣污染的主要來源之一，其治理一直是環境保護領域的研究熱點。光能與熱能共驅催化技術可以在較低的溫度下實現對 VOCs 的高效催化氧化，具有能耗低、效率高等優點。例如，研究人員設計了一種負載型貴金屬（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 進行催化氧化。結果表明，光熱協同作用下的 VOCs 轉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貴金屬納米顆粒產生表面等離子體共振效應，產生的局部熱效應和活性氧物種（如?OH、?O??）共同促進了 VOCs 的氧化分解反應。

（三）化學合成領域

1. 光熱協同催化有機合成反應

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

2. 光熱協同催化選擇性加氫反應

      選擇性加氫反應在精細化工和制藥工業中具有重要的應用價值。光能與熱能共驅催化可以通過調節光能和熱能的比例，實現對加氫反應選擇性的精確調控。例如，在光熱協同作用下，使用 Pd / C 催化劑對 α,β - 不飽和醛進行選擇性加氫生成不飽和醇。研究發現，在較低的溫度和適當的光照強度下，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生過度加氫生成飽和醇。這是因為光能的引入可以改變催化劑表面的電子狀態和氫吸附行為，從而調節加氫反應的路徑和選擇性。

四、挑戰與展望

（一）當前面臨的挑戰

      盡管光能與熱能共驅催化技術取得了顯著的研究進展，但仍面臨一些挑戰。首先，催化劑的設計和制備是關鍵問題之一。如何構建具有高效光吸收、良好熱穩定性和高催化活性的復合催化劑體系，仍然需要深入研究。其次，光能與熱能的協同作用機制尚不明確，缺乏系統的理論模型來指導催化劑的設計和反應條件的優化。此外，反應體系的熱管理和光能利用率也是需要解決的重要問題。在實際應用中，如何有效地將光能轉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致催化劑失活，仍然需要進一步的技術創新。

（二）未來的發展展望

      未來，光能與熱能共驅催化技術的發展將主要集中在以下幾個方面。一是開發新型的催化劑材料，如金屬 - 半導體異質結、多孔材料和納米復合材料等，通過合理的結構設計和元素摻雜，提高催化劑的光熱協同催化性能。二是深入研究光能與熱能的協同作用機制，利用先進的表征技術（如原位光譜、分子動力學模擬等）揭示反應過程中的關鍵中間體和能量傳遞路徑，建立完善的理論模型。三是優化反應體系的設計，開發高效的光熱轉換裝置和反應器，提高光能和熱能的利用率，實現催化反應的規?；瘧谩４送?，結合人工智能和機器學習技術，對催化劑的設計和反應條件進行智能優化，將有望加速光能與熱能共驅催化技術的發展和應用。

五、結論

      光能與熱能共驅催化通過巧妙地結合兩種能量形式，實現了對催化反應的高效調控，在能源轉化、環境保護和化學合成等領域展現出廣闊的應用前景。盡管該技術目前仍面臨一些挑戰，但隨著催化劑設計、作用機制研究和反應體系優化的不斷深入，相信光能與熱能共驅催化技術將在未來的綠色化學和可持續發展中發揮更加重要的作用，為解決全球能源和環境問題提供新的有力工具。

產品展示

      SSC-SOEC80電熱協同催化劑評價系統是一種結合電場和熱場協同作用的固體氧化物電解池（SOEC）實驗平臺，用于高效電解H?O/CO?制取H?/CO，是SOFC的逆向反應。該系統通過精確控制溫度、電壓和氣體組成，研究電熱耦合效應對電解性能的影響，并優化催化劑材料和操作參數。本SOEC評價系統設計科學、功能全面，能夠滿足從材料研究到系統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的性能優化與商業化應用提供可靠的數據支持。

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

  SOEC系統優勢：

1、研究電熱協同作用對SOEC電解效率的影響，優化催化劑材料和操作參數（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、法拉第效率及穩定性的影響。

4、分析電化學阻抗譜（EIS）以揭示反應動力學機制。

5、通過溫度-電壓協同調控、多尺度表征及長期穩定性測試，系統揭示電熱催化在SOEC中的作用機制。

6、引入原位高溫拉曼光譜，實時追蹤催化劑動態行為。

7、 “熱-電協同因子"量化電熱耦合效應強度。

8、為高效電解CO?制合成氣（H?/CO）或綠氫提供實驗與理論依據。