一、引言

      光熱催化技術通過光能與熱能的協同作用，突破傳統光催化 “光生載流子分離效率低" 和熱催化 “反應活化能高" 的局限，在 CO?還原、VOCs 降解、能源小分子轉化等領域展現出廣闊應用前景。評價裝置作為光熱催化研究的 “核心工具"，其性能直接決定催化材料活性、反應動力學參數等關鍵數據的準確性。

      頂照構型因光源與催化體系的作用路徑短、裝置集成度高，成為主流設計方案之一，但實際應用中存在顯著性能短板：一是頂照光源易出現中心能量集中、邊緣能量衰減的 “高斯分布" 問題，導致催化表面光強分布不均，部分區域 “光過剩" 而部分區域 “光不足"，破壞光熱協同的均勻性；二是光模塊與熱模塊獨立控制時，易出現 “光熱不同步"，如光照強度提升后，加熱速率未及時匹配，或局部溫度過高導致光吸收效率下降，削弱光熱協同效應；三是反應腔內部氣流擾動、溫度梯度差異等，進一步加劇光熱分布的不均勻性，影響評價結果的重復性。

      基于此，本文聚焦頂照構型的結構特性與性能瓶頸，通過多維度優化實現裝置性能的突破，為光熱催化材料的高效篩選與反應機制研究提供可靠的評價平臺。

二、頂照構型光熱催化評價裝置的性能瓶頸分析

2.1 光源系統：光強分布不均與能量損耗顯著

      頂照構型中，光源（如氙燈、LED 陣列）通常垂直懸掛于催化樣品正上方，其光強分布直接決定催化表面的光能輸入均勻性。目前主流裝置普遍采用單光源直射設計，受光學透鏡聚焦特性、光源本身發光角度限制，催化表面光強呈現 “中心強、邊緣弱" 的高斯分布，光強差異可達 30%-50%。例如，在直徑為 20mm 的催化樣品上，中心區域光強可達 100mW/cm2，而邊緣區域僅為 50-60mW/cm2，導致樣品不同區域的光生載流子生成速率差異顯著，光熱協同作用失衡。

      同時，光源系統的能量損耗問題突出：一方面，光源外殼、反應腔頂部石英窗口的反射與吸收，導致實際到達催化表面的光能利用率僅為 60%-70%；另一方面，部分裝置未針對特定催化反應的特征吸收波長優化光源光譜，如用于 CO?還原的光熱催化劑（如 In?O?-x）對 400-600nm 可見光吸收較強，若采用廣譜氙燈且未配備濾光系統，大量紅外與紫外光能量被浪費，進一步降低光能利用效率，制約光熱協同的能量基礎。

2.2 光熱耦合：協同機制調控不足

      光熱協同效率的核心在于 “光" 與 “熱" 的精準匹配 —— 光能激發催化材料產生光生載流子，熱能降低反應活化能，二者需在時間與空間維度保持同步。但頂照構型裝置中，光模塊（光源功率、光譜）與熱模塊（加熱方式、溫度控制精度）多為獨立控制，易出現 “協同失配" 問題：

     從時間維度看，當調整光源功率以提升光能輸入時，加熱系統的響應延遲（通常為 5-10s）導致溫度未能及時匹配，若光強驟增而溫度未同步升高，光生載流子易因 “熱動力不足" 難以參與反應，導致復合率上升；反之，若加熱溫度過高而光強不足，催化材料表面易形成 “熱團聚"，降低光吸收活性位點數量。

      從空間維度看，頂照光源的不均勻性與加熱系統的溫度梯度疊加，形成 “光熱熱點區" 與 “光熱薄弱區"。例如，采用底部電阻加熱時，催化樣品底部溫度高于頂部，而頂部受頂照光源直接照射光強更高，導致樣品內部 “上光下熱" 的分布差異，光熱協同作用在空間上相互割裂，無法形成高效的協同效應。

2.3 反應腔結構：環境干擾削弱協同穩定性

       反應腔作為催化反應與光熱作用的核心場所，其結構設計直接影響光熱協同的穩定性。頂照構型裝置的反應腔存在三大問題：一是氣流擾動，反應氣通常從反應腔側面通入，若進氣口與出氣口布局不合理，氣流易在催化樣品表面形成漩渦，導致局部區域反應物濃度波動，同時氣流帶走的熱量會加劇樣品表面溫度梯度，破壞光熱分布的穩定性；二是腔體內壁反射干擾，部分反應腔采用金屬內壁，未進行防反射處理，頂照光源的雜散光經內壁反射后，在樣品表面形成 “光干涉條紋"，進一步加劇光強分布不均；三是樣品臺設計缺陷，傳統樣品臺多為平面結構，催化樣品與樣品臺的熱接觸不良，導致局部熱傳導效率低，形成 “熱孤島"，與光照區域形成錯配，削弱光熱協同效果。

2.4 檢測與控制：數據反饋滯后影響協同精度

       光熱催化評價裝置的性能依賴實時、精準的檢測與控制，但現有頂照構型裝置存在明顯短板：一是檢測模塊與光熱作用不同步，如采用離線色譜分析產物時，數據反饋延遲超過 10min，無法及時反映光熱參數調整對反應的影響，難以實現光熱協同的動態優化；二是傳感器布局不合理，溫度傳感器多置于樣品臺底部而非催化樣品表面，無法準確捕捉樣品實際溫度（與表面溫度偏差可達 5-10℃），導致加熱控制基于 “間接溫度"，與實際光熱需求脫節；三是缺乏光熱協同控制算法，現有裝置多采用 “光強固定、調節溫度" 或 “溫度固定、調節光強" 的單一控制邏輯，未建立光熱參數與催化反應速率的關聯模型，無法根據反應實時狀態動態優化光熱協同關系。

三、以光熱協同效率為核心的性能提升策略

3.1 光源系統優化：實現均勻高效的光能輸入

針對頂照光源光強分布不均與能量損耗問題，從光源構型、光學設計、光譜匹配三方面進行優化：

3.1.1 多光源陣列與光學勻光設計

      摒棄傳統單光源直射方案，采用 “中心主光源 + 環形輔助光源" 的陣列式頂照構型：中心主光源（如大功率 LED）提供基礎光強，環形輔助光源（由 8-12 個小功率 LED 組成）填補邊緣光強空缺，通過獨立調節主、輔光源功率，實現催化樣品表面光強分布均勻性提升至 90% 以上。同時，在光源與反應腔之間增設 “微透鏡陣列 + 積分球" 組合光學系統：微透鏡陣列將點光源轉化為面光源，積分球通過多次漫反射進一步消除光強差異，經實驗驗證，優化后樣品表面最大光強偏差可控制在 5% 以內，遠優于傳統裝置的 30%-50%。

3.1.2 高效光能傳輸與光譜匹配

       為降低能量損耗，采用高透光率（>95%）的石英玻璃作為反應腔窗口，并在窗口表面鍍制增透膜（針對目標波長的反射率 < 1%），將光能傳輸效率從 60%-70% 提升至 85% 以上。同時，基于催化反應的特征吸收波長進行光源光譜定制：例如，針對光熱 CO?還原反應，選用 400-600nm 波段的窄帶 LED 陣列作為光源，配合濾光片濾除無關波長，使有效光能利用率提升 40%-50%；對于寬光譜響應的催化劑（如碳基復合材料），則采用可調諧氙燈，通過軟件控制實時調整光譜分布，確保光能與催化劑吸收特性精準匹配。

3.2 光熱耦合機制調控：構建時空同步的協同體系

以 “光熱時空同步" 為目標，通過硬件集成與智能控制，強化光熱協同效應：

3.2.1 光熱一體化模塊設計

     將頂照光源與加熱系統集成為 “光熱協同模塊"：采用 “環形光源 + 環形加熱片" 的同軸設計，環形加熱片嵌套于環形光源內側，與催化樣品保持相同中心軸，實現光照與加熱的 “同心作用"。加熱片選用石墨烯柔性材料，具有快速升溫（響應時間 < 2s）、溫度均勻性高（偏差 < 2℃）的優勢，可與光源同步啟停、動態調節。實驗表明，該一體化模塊可使光熱參數調整的同步性誤差控制在 1s 以內，有效避免 “光熱不同步" 問題。

3.2.2 基于反應動力學的光熱協同控制算法

      建立 “光熱參數 - 反應速率" 關聯模型，通過實時檢測反應產物濃度（如采用在線氣相色譜，檢測頻率為 1 次 / 30s），動態優化光強與溫度的匹配關系。例如，當檢測到反應速率下降時，算法可自動判斷是 “光不足" 還是 “熱不足"：若光生載流子信號（通過原位熒光光譜檢測）減弱，則優先提升光強；若反應活化能（通過 Arrhenius 曲線計算）偏高，則同步升高溫度。該算法通過 PID 自適應控制，使光熱協同效率始終維持在區間內，在 CO?還原反應評價中，可使催化轉化效率提升 25%-30%。

3.3 反應腔結構改進：營造穩定的光熱反應環境

針對反應腔內部干擾因素，從氣流組織、內壁處理、樣品臺設計三方面優化：

3.3.1 流線型氣流通道設計

       采用 “頂部進氣 - 底部出氣" 的氣流路徑，與頂照光源的作用方向一致：反應氣從反應腔頂部環繞光源的環形進氣口通入，經流線型導流板引導，形成均勻的層流氣流，垂直作用于催化樣品表面，再從樣品臺下方的多孔出氣口排出。這種設計可避免氣流漩渦，使樣品表面反應物濃度偏差控制在 3% 以內，同時減少氣流對樣品溫度的影響，溫度波動幅度從 ±5℃降至 ±1℃。

3.3.2 低反射內壁與溫度緩沖層設置

      在反應腔內壁鍍制啞光吸光涂層（吸收率 > 90%），抑制雜散光反射，消除 “光干涉條紋" 對光強均勻性的影響。同時，在反應腔外側包裹陶瓷纖維保溫層（厚度 5mm），并在保溫層與腔壁之間設置空氣緩沖層，減少腔體內外的熱交換，使反應腔內部溫度梯度從 10℃/cm 降至 2℃/cm 以下，進一步提升光熱分布的穩定性。

3.3.3 導熱增強型樣品臺開發

      采用 “銅基基板 + 石墨烯導熱膜" 的樣品臺結構，銅基基板確保整體導熱性能，石墨烯導熱膜（厚度 10μm）直接與催化樣品接觸，降低界面熱阻（從 50m2?K/W 降至 5m2?K/W 以下）。同時，樣品臺表面設計為微凹槽結構，與催化樣品尺寸精準匹配，避免樣品移位導致的光熱作用偏差，使樣品表面溫度均勻性提升至 95% 以上。

3.4 輔助系統升級：提升檢測精度與控制可靠性

通過升級檢測與控制輔助系統，為光熱協同效率優化提供數據支撐與執行保障：

3.4.1 原位多參數檢測系統集成

       在裝置中集成原位表征模塊，實現光熱作用與催化反應的實時監測：一是采用原位漫反射紫外 - 可見光譜，實時檢測催化劑的光吸收強度與波長響應，反饋光源光譜匹配度；二是通過原位紅外熱成像儀，直觀捕捉催化樣品表面的溫度分布，分辨率可達 0.1℃，及時發現 “熱孤島" 等問題；三是利用在線質譜儀，實現產物的快速定性定量分析（響應時間 < 10s），為光熱協同控制算法提供實時數據輸入。

3.4.2 高精度閉環控制系統構建

      采用 “雙傳感器反饋 + 雙通道控制" 模式：在催化樣品表面嵌入微型光纖溫度傳感器（精度 ±0.1℃），替代傳統樣品臺底部傳感器，實現樣品實際溫度的精準檢測；同時，在反應腔內部設置光強傳感器（精度 ±1mW/cm2），實時監測到達樣品表面的實際光強。兩個傳感器的數據實時傳輸至中央控制器，通過雙通道 PID 控制分別調節加熱系統與光源，使光強與溫度的控制精度較傳統裝置提升 1 個數量級，確保光熱協同參數的穩定性。

四、性能驗證與結果分析

       為驗證所提提升策略的有效性，搭建優化后的頂照構型光熱催化評價裝置，并以 “TiO?@C 復合光熱催化劑降解甲苯" 為模型反應，與傳統頂照裝置進行性能對比，測試指標包括光熱協同效率、評價結果重復性、能量利用率。

4.1 實驗方案設計

     催化樣品：采用溶膠 - 凝膠法制備的 TiO?@C 復合催化劑，粒徑約 50nm，負載于石英玻片上（直徑 20mm）；

     反應條件：甲苯初始濃度 100ppm，反應氣流量 50mL/min，光照波長 400-700nm，反應溫度 200-300℃；

     測試方法：通過在線氣相色譜檢測甲苯降解率，計算光熱協同效率（定義為 “實際降解率與理論單獨光催化 + 單獨熱催化降解率之和的比值"）；重復實驗 5  次，統計降解率的相對標準偏差（RSD）；通過電能表記錄裝置總能耗，計算能量利用率（降解單位質量甲苯的能耗）。

4.2 性能對比結果

    性能指標       傳統頂照裝置       優化后裝置    提升幅度

    光熱協同效率       0.62 0.85 37.1%

    評價結果重復性（RSD）    8.7% 4.2% 51.7%

    能量利用率（g/kWh） 0.85 1.12 31.8%

    樣品表面光強均勻性    65%  92%  41.5%

    樣品表面溫度均勻性    80%  96%  20.0%

4.3 結果分析

    從數據可知，優化后裝置的核心性能指標均顯著提升：

     光熱協同效率從 0.62 提升至 0.85，主要得益于光源均勻性優化（光強均勻性從 65% 升至 92%）與光熱一體化控制（同步性誤差 <1s），消除了 “光熱錯配" 問題，使光生載流子利用與反應活化能降低形成高效協同；

     評價結果重復性（RSD）從 8.7% 降至 4.2%，歸因于反應腔氣流組織優化（濃度偏差 < 3%）與溫度梯度控制（<2℃/cm），減少了環境干擾對反應的影響；

     能量利用率提升 31.8%，一方面源于光譜匹配設計（有效光能利用率提升 40%-50%），另一方面得益于光熱協同控制算法，避免了光熱參數的盲目調節導致的能量浪費。

     此外，通過原位紅外熱成像觀察發現，優化后裝置的催化樣品表面溫度分布均勻，無明顯 “熱熱點"，與光強分布高度匹配，進一步驗證了光熱協同效果的提升。

五、結論與展望

      本文針對頂照構型光熱催化評價裝置的性能瓶頸，提出以光熱協同效率為核心的多維度提升策略，通過光源系統優化、光熱耦合機制調控、反應腔結構改進、輔助系統升級，有效解決了傳統裝置光強不均、光熱不同步、環境干擾大等問題。實驗驗證表明，優化后的裝置光熱協同效率提升 37.1%，評價重復性誤差控制在 5% 以內，能量利用率提升 31.8%，為光熱催化性能評價提供了高效、精準的技術方案。

      未來研究可從兩方面進一步突破：一是引入人工智能技術，基于大量催化評價數據訓練光熱協同優化模型，實現 “預測性調控"，進一步提升裝置的智能化水平；二是拓展裝置的多功能性，集成原位 X 射線衍射（XRD）、X 射線光電子能譜（XPS）等表征模塊，實現光熱催化反應過程中催化劑結構與成分變化的實時追蹤，為深入解析光熱催化機制提供更全面的技術支撐。

產品展示

   產品詳情：

     SSC-TPTC光熱催化反應評價裝置為系統研究光熱催化反應提供了平臺，采用石英導光柱直接將光源導入到催化劑表面，提升光+催化劑+反應物的接觸面積，提升光熱催化的效率，更好的評價催化劑的真實性能。

    產品應用：

催化劑材料氣氛燒結；催化劑材料的活性評價；

氣固相光熱催化反應；氣體污染物的光熱催化降解；

甲烷重整制氫；二氧化碳還原；甲烷/二氧化碳重整；甲烷偶聯；

乙烷脫氫；費托合成；水煤氣合成；

合成氨；VOCs光熱催化降解；

大氣中NOx以及硫化物的轉化機理研究；

全新的光照系統，提升光的利用效率；