在全球對清潔能源需求日益增長的背景下，光熱 - 電化學耦合技術作為一種創新性的能源轉化與利用技術，逐漸成為科研與產業領域的研究熱點。這項技術通過將光熱效應與電化學過程有機結合，突破了傳統單一技術的局限，為高效能源轉換、儲能及環境治理等提供了新的解決方案。

一、技術原理

      光熱 - 電化學耦合技術的核心在于協同光熱效應和電化學過程。光熱效應是指材料吸收光能后轉化為熱能，使體系溫度升高；而電化學過程則涉及電子在電極與電解質之間的轉移，實現化學能與電能的相互轉化。在該耦合技術中，光熱效應產生的熱量能夠顯著影響電化學過程的反應速率和效率。一方面，溫度升高可以加快電解質中離子的遷移速度，降低反應的活化能，促進電化學反應的進行；另一方面，光熱過程中產生的熱載流子，可與電化學體系中的電子相互作用，優化電荷傳輸與分離效率 。例如，在光熱輔助的電解水過程中，光熱材料吸收太陽能并轉化為熱能，提高電解槽內的溫度，使得水分子的分解反應更容易發生，從而提升氫氣的生成效率。

1. 光熱-電化學協同機制

（1）光熱效應驅動反應：光熱材料（如貴金屬納米顆粒、碳基復合材料）吸收光能后產生局部高溫熱點（>500°C），降低反應活化能，加速中間體脫附（如水分解中的OH?脫附）。

（2）電化學調控反應路徑：通過外加電場或電流調控催化劑表面電子態，增強反應選擇性（如優先生成H?而非H?O）。

（3）能量互補：光熱效應減少電化學過程所需的電能輸入，電化學調控優化光熱催化效率，形成雙向協同。

2. 能量轉換路徑

（1）光→熱→電：光熱材料吸收光能→產生熱量→通過熱電材料（如Bi?Te?）轉化為電能。

（2）光→電→熱：光伏電池發電→驅動電化學電解→利用焦耳熱輔助反應（如電解水制氫）。

（3）光熱-電化學耦合：光熱效應直接增強電化學反應速率（如光熱輔助析氧反應OER）。

二、關鍵組件與材料

      實現光熱 - 電化學耦合技術，關鍵組件與材料的選擇至關重要。光熱材料需要具備高效的光吸收能力和良好的熱穩定性，常見的光熱材料包括金屬納米顆粒（如金、銀納米顆粒）、碳基材料（如石墨烯、碳納米管）以及半導體材料（如二氧化鈦、硫化鎘）等。這些材料能夠在寬光譜范圍內吸收光能，并將其高效轉化為熱能。在電化學組件方面，電極材料的性能直接影響電化學反應的效率。例如，在光熱 - 電催化二氧化碳還原反應中，采用具有高催化活性的過渡金屬基電極材料，結合光熱效應提升反應溫度，可顯著提高二氧化碳轉化為燃料（如一氧化碳、甲烷）的產率。此外，電解質的選擇也不容忽視，合適的電解質應具有良好的離子導電性、化學穩定性以及與光熱材料和電極材料的兼容性 。

三、典型應用場景

1. 太陽能驅動水分解制氫

案例：BiVO?/g-C?N?異質結+Pt助催化劑，在AM 1.5G光照下，光熱輔助OER效率提升4倍（電流密度>20 mA/cm2）。

優勢：光熱效應降低OER過電位（從~300 mV降至150 mV）。

2. 光熱-電化學CO?還原

系統設計：Cu/TiO?光熱催化劑耦合Cu基電催化劑，在400 nm光照下，CO選擇性達85%（電能輸入減少30%）。

機理：光熱產生的局部高溫促進CO?活化為*CO中間體。

3. 廢水處理與能源回收

光熱-Fenton體系：Fe?O?@CQDs納米顆粒在可見光下產生活性氧物種（·OH），同時通過電化學回收H?（能量回收率>50%）。

應用場景：抗生素廢水處理（礦化率>95%）。

4. 工業余熱回收

熱電-電化學聯用：工業廢熱驅動塞貝克發電器發電，同時電解水制氫（綜合能效>60%）。

四、關鍵技術挑戰

1. 材料與界面優化

光熱-電化學協同效率低：光熱產生的熱量難以定向傳遞至電化學活性位點。

材料穩定性差：貴金屬納米顆粒易團聚（如Au@TiO?在長期光照下燒結）。

界面電荷傳輸阻抗高：光催化劑與電極間的肖特基勢壘阻礙載流子分離。

2. 系統集成難題

能量匹配失衡：光伏發電與電化學負載的電壓/電流不匹配（如太陽能電池電壓波動影響OER效率）。

熱管理困難：局部高溫易導致催化劑燒結或電解質分解（如PEM電解槽在>80℃時膜降解）。

3. 規模化與成本

貴金屬依賴：IrO?、Pt等電催化劑成本高昂（占系統總成本>50%）。

放大效應：實驗室級系統（<10 W）難以直接放大至工業級（kW級）。

五、優化策略與解決方案

1. 新材料開發

非貴金屬光熱催化劑：Cu@ZIF-8、Fe-N-C復合材料替代IrO?/Pt。

多功能的異質結設計：如BiVO?/MoS?/g-C?N?（光吸收+電荷分離+熱管理一體化）。

動態響應材料：溫敏型水凝膠（PNIPAM）實時調節光熱-電化學反應路徑。

2. 系統設計優化

原位重構技術：利用電化學極化誘導催化劑表面重構（如Co?O?→CoOOH提升OER活性）。

熱管理模塊：集成微型熱管或相變材料（PCM）導熱帶隙熱量，防止催化劑燒結。

智能調控系統：機器學習算法動態調節光強、溫度、電位（如MIT的Catalyst Design數據庫）。

3. 工程化突破

模塊化反應堆設計：支持即插即用的光熱-電化學單元（如10 kW級太陽能驅動制氫系統）。

成本削減策略：3D打印催化劑載體降低貴金屬用量（如Au負載量從10%降至1%）。

六、未來發展方向

1. 跨學科融合

光熱催化-人工光合作用：耦合CO?還原與H?O氧化的全反應體系（太陽能-化學能轉換效率>15%）。

光熱-電化學微系統：集成微流控芯片與柔性電極，開發便攜式光熱催化裝置（如現場制氫）。

2. 人工智能驅動優化

數據驅動的材料篩選：利用AI預測光熱催化劑組成（如MIT的Catalyst Design數據庫）。

實時反饋控制：結合原位表征數據動態優化反應條件（如溫度、pH、光強）。

3. 綠色規模化應用

工業級示范項目：開發100 kW級太陽能光熱-電化學制氫系統，驗證長期穩定性與經濟性。

碳中和場景集成：耦合CO?捕獲與光熱還原，實現負碳排放（如直接空氣捕集CO?并轉化為甲醇）。

七、總結

      光熱-電化學耦合技術通過光熱效應增強反應動力學與電化學調控優化反應路徑的雙向協同，在能源轉換與環境修復領域展現出潛力。其核心優勢在于：

能量效率提升：光熱輔助降低電能輸入需求（如制氫能耗<30 kWh/kg H?）。

反應選擇性增強：溫度與電位協同調控產物分布（如CO?還原中CH?選擇性>70%）。

多場景適應性：可擴展至海水淡化、CO?資源化、固氮合成氨等領域。

未來需重點突破材料穩定性、系統能效比及規模化成本瓶頸，推動該技術從實驗室走向工業化應用，助力碳中和與能源轉型。

產品展示

      SSC-PTCR光致熱催化反應系統，實現了雙光源照射，提高了光致熱的能量輸出，加快光催化實驗的進度，可以實時監測催化劑溫度；配套的質量流量PLC控制系統，實現各種反應氣體的任意匹配，更有利于實驗的調整，配方的研發。

      SSC-PTCR光致熱催化反應系統，配合控溫和磁力攪拌器，直接升級為釜式光熱催化系統，可以實現一機多用，多種體系下評價催化劑的活性。

產品優勢：

1)、自主研發控溫系統，杜絕溫度過沖；

2)、配置藍寶石晶體窗口，具有高強度、高硬度，耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕，透光性能好、電絕緣性能優良；

3)、內部磁力攪拌；

4)、內含粉末催化劑放置平臺，氣體與催化劑充分接觸；

5)、釜體內部即可實現氣固反應，也可以實現氣液反應；

6)、實現在高壓（<5MPa）高溫(<250℃)下的材料催化；

7)、法蘭雙線密封技術，解決密封泄漏問題；

8)、配置高質量針型閥、三通球閥、壓力表，實現了靈活控制釜體壓力；

9)、配置安全卸荷閥，給實驗安全環境又添了一道安全；

10)、釜內配置有報警，當出現超溫、超壓情況時，自動切斷加熱電源，讓操作更安全；

11)、反應釜還采用雙線槽柔性密封，良好的密封結構解決了攪拌存在的泄露問題，使整個介質和攪拌部件處于密封的狀態中進行工作，因此更適合用于各種易燃易爆、貴重介質及其它滲透力化學介質進行攪拌反應。