第一作者：徐畅，唐麒君
通讯作者：王璐教授，涂文广教授
通讯单位：香港中文大学（深圳）
论文DOI：10.1039/D4EE00783B
光热催化技术已经成为当前驱动化学反应的突破性手段之一。这种手段结合了光能（光子）和热能（声子），从而提高化学反应的速率和产物选择性。本文从光子和声子协同效应的角度出发，深入探讨了光热催化技术的核心机制，并重点介绍了光热二氧化碳（CO
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）加氢反应、光热甲烷（CH
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）干重整反应、光热NH
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合成和塑料升级回收等应用的研究进展。
随着全球能源需求明显增加，使用可再生能源来取代传统的化石燃料，越来越受到关注。特别是太阳能，被认为是一种清洁、丰富和永久的能源。光催化反应能够利用自然界存在的太阳能转换成为化学反应所需的能量。然而，较低的转化效率限制光催化反应的实际应用。
为了应对这一挑战，光热催化技术已经成为一种驱动化学反应的新范例。光热催化技术涉及光子和声子协同效应，两者在光热催化反应过程中都起着多种作用。光热催化技术的热能是声子的一种表现形式，声子可以由外部提供或由光子转化而来。尽管已有综述将光热催化反应简单地分类为光辅助热催化、热辅助光催化和光热协同催化三类。
为了深入理解光热催化的机理，本文从光子和声子协同效应的角度出发，深入探讨了光热催化技术的核心机制，并重点介绍了光热CO
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加氢反应、光热CH
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干重整反应、光热NH
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合成和塑料升级回收等应用的研究进展，最后总结对于光热催化技术的展望和未来。
图1.
近10年“光热”和“催化”相关的出版文章数量。
1. 从光子和声子两个方面探讨了光热催化技术的机理，包括光子到声子的转化以及它们之间的协同相互作用。
2. 依据“光子→声子”和“光子+声子”的机制，对光热催化技术的应用进行分类和总结，包括光热CO
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加氢反应、光热CH
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干重整反应、光热NH
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合成和塑料升级回收等应用。
3. 对光热催化技术所面临的问题和今后的发展进行了讨论和展望。
光热催化技术已在各种催化领域广泛应用，得益于光热过程极高的能量转换效率。这一过程巧妙地将太阳光的电磁能有效转化为热能或电荷载体，其中热能或电荷载体均能影响催化活性。从光子和声子协同效应的角度出发，光热催化技术的机制可分为两种类型，如图2所示：光子→声子和光子+声子。
“光子→声子”概括了将电磁能转化为热能的过程。通过局域表面等离子共振（LSPR）效应或半导体中的非辐射弛豫等机制，可以将光子转换为声子。LSPR经常发生在金属纳米颗粒。当LSPR能量在金属纳米颗粒内发生非辐射耗散时，会在LSPR结构内产生热能，通过热传递不仅促进了物质传输，还从热力学角度提高了反应速率。此外，光子被半导体吸收后，能通过非辐射弛豫产生声子，从而形成热能。虽然传统光催化反应中非辐射弛豫被认为是一个不利因素，但在提高温度方面可能进一步提高光热催化的性能。
声子可以来源于LSPR效应、光激发半导体的非辐射弛豫、及外部加热。这些手段将协同作用于催化过程，包括降低活化能、促进化学键的断裂，及促进反应物和中间体的吸脱附过程。在光热催化中，光子不仅在将自身转化为声子方面起着关键作用，还通过调节催化剂的表面性质或影响反应途径来影响和改变热催化过程。总之，声子和光子的协同作用将为光热催化反应提供更强的驱动力。
图3.
光热CO
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加氢反应的研究进展 (
光子
→声子
)。
图4.
光热CO
2
加氢反应的研究进展(
光子+声子
)。
图5.
光热CH
4
干重整反应的研究进展 (
光子→ 声子
)。
图6.
光热CH
4
干重整反应的研究进展(
光子+声子
)。
图7.
光热催化合成氨反应的研究进展 (
光子→ 声子
)
图8.
光热催化合成氨反应的研究进展 (
光子+声子
)
图
9
.
光热催化塑料
回收再利用
的研究进展 (
光子 → 声子
)
图10.
光热催化塑料
回收再利用
的研究进展 (
光子+声子
)
光热催化技术是一种利用光子和声子相互作用驱动的化学反应，通过声子传递的热能可以外部加热提供或者由光子产生，通过增加温度有效降低反应壁垒，显著提升了催化反应的效率。具有以下优点：(i) 相较于热催化，反应条件更温和；(ii) 反应速率和选择性增强；(iii) 增加了活性相的稳定性并减少了烧结现象。这些优势突显了光热催化技术的应用潜力。
然而光热催化技术的应用过程，存在如下问题需要解决：(i) 过渡态中间物种的检测困难，限制了光热催化机制的深入理解；(ii) 通常情况下，大多数光催化材料在300-500 nm左右吸收光线，而在600 nm以上的波段吸收较弱。然而，太阳光能量主要分布在后者范围内。因此，需要开发具有较强电磁谱中低能区域吸收的光热催化剂；(iii) 光热催化技术中光强约为自然光的20-50倍，限制了太阳能的实际利用，因此，需要设计能够有效利用太阳能的反应器。
本文深入探讨了光热催化技术的机制和应用，对于光热催化技术的应用过程的问题：(i)在反应过程方面，利用先进的原位表征技术和理论计算，从光子和声子的角度进行直接观察热催化技术的反应动力学；(ii) 在催化剂设计方面，对纳米结构催化剂中的光化学和热化学相互作用的理解不断扩展，将推动对具有宽带吸收和高响应性材料的开发；(iii) 在反应器设计方面，连续流动操作更适用于大规模光热过程。然而，由于自然的日夜周期和太阳角度的变化而导致的太阳照明的固有变异性，对光热催化的工业应用提出了重大挑战。我们研究团队最近提出了利用高温及其相应的热辐射促进乙烷脱氢反应的热辐射催化方法，推动光热催化技术的规模化应用潜力。
光热催化技术已经成为一种驱动化学反应的新范例，
光热催化技术作为一种具有巨大潜力的绿色化学技术，将在未来得到更广泛的应用和研究。随着技术的不断进步和创新，光热催化技术将为环境保护、能源转化和化学合成等领域带来更多的惊喜和突破。
涂文广
，2015年获南京大学物理学院博士学位。2015至2020年在新加坡南洋理工大学从事研究博士后研究工作。2020年6月起任职于香港中文大学（深圳）理工学院。主要从事于低维光电材料表界面结构的精准设计与构建，实现太阳能驱动下的小分子转换，取得了一系列重要成果，Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catalysis、Joule等SCI论文100余篇，SCI被引超过11000次，H指数为50。2016年度获江苏省科学技术一等奖(第五完成人)， 2023年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单（2022年度）。
王璐，
英国谢菲尔德大学获得学士和硕士学位，并在新加坡南洋理工大学获得博士学位。随后加入加拿大多伦多大学化学系Solar Fuels Cluster担任博士后研究员。目前他在香港中文大学（深圳）理工学院担任tenure track助理教授，研究重点是碳基分子的催化转化。以第一作者/通讯作者发表Nat. Energy、Nat. Catal.，Nat. Commun.，Joule，Angew. Chem. Int. Ed.等SCI论文60余篇，主持/参与包括十四五重点研发计划在内的多项国家级项目，并申请发明专利若干，2023年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单（2022年度）。
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