光热协同催化（Photothermal Catalysis, PTC）是一种结合光催化与热催化优势的新型催化技术，通过光生载流子与局域热场的协同作用，显著提升反应速率和能量利用效率。其核心在于利用光热材料将光能转化为热能，并通过界面工程优化反应动力学，在CO₂还原、水分解、VOCs降解等领域展现出突破性潜力。

一、基本原理

​（1）光催化部分

光催化剂（如常见的TiO₂等半导体材料）在光照下，价带电子被激发到导带，产生光生电子 - 空穴对。光生电子具有还原性，空穴具有氧化性，它们可以与吸附在催化剂表面的反应物发生反应。例如，在水分解反应中，光生电子可以与水中的H⁺反应生成氢气，光生空穴则与OH⁻反应生成氧气。

​（2）热催化部分

热催化是通过升高温度来提高反应速率。在热催化反应中，反应物分子在催化剂表面吸附、活化，然后发生化学反应。例如，在一些有机合成反应中，高温可以使反应物分子的化学键更容易断裂和重组，从而促进反应的进行。

​（3）协同作用原理

在光热协同催化中，光催化产生的活性物种（如光生电子和空穴）可以降低反应的活化能，而热催化提供的高温环境可以进一步促进反应的进行。同时，热效应也可以增强光催化剂表面的吸附和扩散过程，提高反应物分子与光生活性物种的碰撞几率，从而提高催化效率。

​二、核心机制

​（1）光-热耦合效应

​光吸收与热转换：光热材料（如贵金属纳米颗粒、MXene、黑磷）吸收光能后，通过局域表面等离子体共振（LSPR）或晶格振动产生热量，形成局域高温微环境（100–500℃）。

​热促进电荷分离：热能降低电子-空穴复合率，加速载流子迁移至催化剂表面参与反应（如TiO₂中热振动促进电子向Ti³⁺缺陷位点迁移）。

​（2）协同作用路径

​光驱动吸附活化：光生电子降低反应物吸附能（如CO₂在Cu₂O表面的吸附）。

​热驱动键断裂：局域高温削弱C=O键（CO₂还原）或C-H键（VOCs降解），加速反应进程。

​热力学与动力学协同：光热效应同时降低反应活化能和热力学能垒，例如甲烷生成反应的ΔG降低30–50%（Nature Catalysis, 2023）。

三、光热协同催化的优势

​（1）提高反应效率

相比于单一的光催化或热催化，光热协同催化可以显著提高反应速率和转化率。例如，在二氧化碳加氢制甲醇的反应中，光热协同催化可以使甲醇的产率比单纯的光催化或热催化有明显提高。

​（2）拓宽反应底物范围

一些在单一催化模式下难以反应的底物，在光热协同催化下可能发生反应。这是因为光热协同作用可以改变反应的路径和活化能，使得原本稳定的底物能够被活化参与反应。

​（3）降低能量消耗

光催化可以利用太阳能等清洁能源，热催化部分由于光热协同作用可以在相对较低的温度下进行反应，从而减少了对外界高温能源的依赖，降低了能量消耗。

四、光热协同催化的应用领域

​（1）能源领域

​氢气生产：利用光热协同催化分解水制氢，是一种可持续的制氢方法。通过优化光催化剂和反应条件，可以提高氢气的产生效率，为解决能源危机提供新的途径。

​二氧化碳转化：将二氧化碳转化为有价值的化学品（如甲醇、甲酸等）是缓解温室气体排放和能源短缺的有效策略。光热协同催化可以提高二氧化碳转化的效率，促进碳资源的循环利用。

​（2）环境领域

​有机污染物降解：光热协同催化可以增强对有机污染物（如染料、农药等）的降解能力。在光照和适当温度下，光催化剂产生的活性氧物种（如羟基自由基等）可以更有效地分解有机污染物，达到净化环境的目的。

五、光热协同催化面临的挑战

​（1）光热转换效率

目前，提高光热转换效率仍然是一个挑战。需要开发高效的光热材料，使得在光照下能够快速有效地将光能转化为热能，并且能够均匀地传递给反应体系。

​（2）催化剂的稳定性

在光热协同催化过程中，催化剂可能会因为光照、高温等因素而失活。因此，开发具有高稳定性的催化剂是光热协同催化技术发展的关键。

​（3）反应的选择性

提高反应的选择性也是一个重要问题。由于光热协同催化涉及到多种活性物种和复杂的反应路径，如何控制反应朝着目标产物的方向进行是需要深入研究的课题。

六、发展前景展望

光热协同催化技术作为绿色化学与可持续能源领域的重要突破，预计在未来5-10年内将在以下方面取得重大进展：

材料成本降低50%以上（通过非贵金属替代）

太阳能转化效率突破40%

实现万吨级CO₂资源化利用示范

建立标准化光热催化反应器体系

该技术有望成为实现"双碳"目标的关键支撑技术之一，在能源转型、环境治理和绿色制造等领域发挥重要作用。随着材料科学、反应工程和人工智能等技术的交叉融合，光热协同催化将迎来更广阔的发展空间。

七、总结

      光热协同催化技术通过高效能量转换与精准反应调控，在能源转型、环境治理、化工合成等领域展现出革命性潜力。随着材料科学、反应工程及智能化技术的交叉融合，其有望成为实现碳中和与可持续发展的关键技术之一。

产品展示

       SSC-SOEC80电热协同催化剂评价系统是一种结合电场和热场协同作用的固体氧化物电解池（SOEC）实验平台，用于高效电解H₂O/CO₂制取H₂/CO，是SOFC的逆向反应。该系统通过精确控制温度、电压和气体组成，研究电热耦合效应对电解性能的影响，并优化催化剂材料和操作参数。本SOEC评价系统设计科学、功能全面，能够满足从材料研究到系统集成的多种测试需求。通过高精度控制和多功能测试模块，可为SOEC的性能优化与商业化应用提供可靠的数据支持。

       光电热多场耦合的催化在环境治理（如高效降解污染物）、能源转换（如CO2还原、水分解）和化工合成中有潜力。例如，在CO2还原中，光提供激发能，电帮助电子传递，热促进反应物活化，三者结合可能提高产物选择性和反应速率；光热耦合电合成氨。光电热催化代表了多能量场协同催化的前沿方向，未来将在绿色化学和碳中和领域发挥重要作用。

SOEC系统优势：

1、研究电热协同作用对SOEC电解效率的影响，优化催化剂材料和操作参数（温度、电压）。

2、比较不同催化剂（如Ni-YSZ与掺杂Ce/Co的催化剂）在电解H₂O/CO₂中的性能。

3、探究温度（600–800°C）和电压（0.5–2V）对电流密度、法拉第效率及稳定性的影响。

4、分析电化学阻抗谱（EIS）以揭示反应动力学机制。

5、通过温度-电压协同调控、多尺度表征及长期稳定性测试，系统揭示电热催化在SOEC中的作用机制。

6、引入原位高温拉曼光谱，实时追踪催化剂动态行为。

7、 “热-电协同因子”量化电热耦合效应强度。

8、为高效电解CO₂制合成气（H₂/CO）或绿氢提供实验与理论依据。