一、引言

      在能源危機與環境問題日益嚴峻的背景下，高效催化劑的研發成為推動能源轉化、污染物降解等領域突破的核心關鍵。傳統催化劑評價多局限于單一反應條件，難以模擬實際工業場景中光、電、熱等多物理場共存的復雜環境，導致實驗室研發與工業化應用之間存在顯著“性能鴻溝"。

       多物理場耦合下的光電熱協同效應，能夠通過場與場之間的相互作用調控催化劑的電子結構、活性位點暴露程度及反應動力學過程，為突破傳統催化效率瓶頸提供了新路徑。基于此，開發多物理場耦合催化劑評價系統，實現對光電熱協同效應的精準表征與量化分析，已成為催化領域的研究熱點與前沿方向。

二、多物理場耦合催化劑評價系統的核心架構

       多物理場耦合催化劑評價系統以“精準控場-實時監測-數據融合"為核心設計理念，整合光場調控模塊、電場施加模塊、溫度控制模塊、反應監測模塊及數據處理系統，形成閉環式評價體系。各模塊既獨立實現參數精準調控，又通過協同控制單元實現多場同步耦合，確保反應過程中光、電、熱參數的動態匹配與穩定輸出。

（1）光場調控模塊

     該模塊采用氙燈、LED陣列等多光源組合，可提供波長200-1000nm的連續可調光譜，光強范圍為0-1000mW/cm2。通過光纖導光系統實現光源的精準聚焦，確保催化劑表面光強分布均勻性誤差小于5%。同時配備濾光片組與光強監測探頭，可根據實驗需求篩選特定波長的光輻射，并實時反饋光場參數，為研究光波長、光強對催化性能的影響提供穩定條件。

（2）電場施加模塊

      基于電化學工作站集成設計，支持恒電位、恒電流、循環伏安等多種電化學模式，電壓調節范圍為-5V至5V，電流精度達1nA。采用三電極體系（工作電極、參比電極、對電極），工作電極表面可負載催化劑薄膜，通過精準控制電極間距與電解液體系，實現電場對催化劑界面電子轉移過程的調控。模塊內置阻抗測試功能，可同步分析催化過程中的電荷轉移阻力變化。

（3）溫度控制模塊

      采用半導體溫控與油浴加熱雙重保障機制，溫度調控范圍為-20℃至200℃，控溫精度達±0.1℃。通過嵌入式溫度傳感器實時采集催化劑表面及反應體系的溫度數據，結合PID反饋調節系統，實現溫度的動態穩定控制。模塊支持程序升溫/降溫模式，可模擬工業反應中的溫度波動場景，為研究熱場對催化反應活化能的影響提供精準條件。

（4）反應監測與數據處理系統

      整合氣相色譜（GC）、高效液相色譜（HPLC）、紫外-可見分光光度計（UV-Vis）等檢測設備，可實時分析反應產物的種類、濃度及生成速率，檢測下限達10??mol/L。數據處理系統采用LabVIEW開發，實現光、電、熱參數與催化性能數據的同步采集與實時可視化，支持數據的自動存儲、曲線擬合及動力學參數計算，為量化分析光電熱協同效應提供數據支撐。

三、光電熱協同效應的作用機制與評價方法

      光電熱協同效應并非單一物理場作用的簡單疊加，而是通過場間耦合實現催化性能的協同增強。其核心作用機制體現在電子結構調控、活性位點激活及反應動力學加速三個層面，系統通過多維度評價指標實現對協同效應的精準量化。

（1）光電熱協同作用機制

      在光場作用下，催化劑吸收光子能量激發電子從價帶躍遷至導帶，形成電子-空穴對；電場通過界面電勢差調控電子轉移方向，抑制電子-空穴對的復合，延長載流子壽命；熱場則降低反應活化能，加速活性位點上的反應物吸附、轉化及產物脫附過程。例如，在光催化CO?還原反應中，電場的引入可使光生電子定向轉移至CO?吸附位點，熱場則使CO?的吸附能降低30%以上，三者協同實現還原效率的數量級提升。

      此外，多場耦合還可能誘導催化劑發生晶格畸變或相轉變，形成新的活性晶面。如在TiO?基催化劑上，光電熱協同作用可促進TiO?從銳鈦礦相向金紅石相的部分轉變，形成異質結結構，進一步增強光吸收與電荷分離能力。

（2）協同效應評價指標與方法

      系統構建了“基礎性能-協同效率-動力學參數"的三維評價體系，全面量化光電熱協同效應：

1. 基礎性能指標：包括催化活性（產物生成速率、反應物轉化率）、選擇性（目標產物占比）及穩定性（連續反應100h后的性能衰減率），通過對比單一場、雙場耦合與三場耦合條件下的指標差異，初步判斷協同效應的存在與否。

2. 協同效率量化：定義協同系數η=（三場耦合催化速率-單一/雙場耦合催化速率之和）/單一/雙場耦合催化速率之和×100%，η>0表明存在正協同效應，η值越大協同效果越顯著。系統通過實時監測不同場組合下的催化速率，自動計算協同系數并生成變化曲線。

3. 動力學與機理分析：通過變溫實驗計算反應活化能（Ea），對比不同場條件下Ea的變化；結合電化學阻抗譜（EIS）分析電荷轉移電阻（Rct），光致發光光譜（PL）分析載流子復合速率，從反應動力學與微觀機制層面揭示協同效應的本質。

四、系統應用案例：光電熱協同催化CO?還原研究

     以ZnIn?S?/Co?O?異質結催化劑為研究對象，利用多物理場耦合評價系統探究光電熱協同作用對CO?還原性能的影響。實驗設置單一光場、光-電雙場、光-熱雙場及光-電-熱三場耦合四種工況，反應條件為：光強500mW/cm2（波長400-700nm）、施加電壓-0.8V（vs RHE）、反應溫度80℃，電解液為0.5mol/L KHCO?溶液。

（1）催化性能對比

     實驗結果表明，單一光場下CO?還原的主要產物為CO，生成速率為8.2μmol·g?1·h?1；光-電雙場耦合使CO生成速率提升至25.6μmol·g?1·h?1，協同系數為12.3%，這歸因于電場對光生電子的定向調控；光-熱雙場耦合下，CO生成速率為18.9μmol·g?1·h?1，協同系數為7.8%，體現了熱場對反應動力學的加速作用；而光-電-熱三場耦合時，CO生成速率達到52.3μmol·g?1·h?1，協同系數高達45.2%，顯著高于雙場耦合效果，證實了光電熱協同效應的增強作用。

（2）協同機制分析

      通過系統集成的PL光譜測試發現，三場耦合下催化劑的熒光強度較單一光場降低68%，表明電子-空穴對復合率顯著降低；EIS測試顯示，三場耦合時Rct僅為單一光場的1/5，說明電荷轉移效率大幅提升；變溫實驗計算得三場耦合下反應活化能為32.1kJ/mol，較單一光場（58.7kJ/mol）降低45.3%。綜合分析表明，光電熱協同作用通過“抑制載流子復合-加速電荷轉移-降低反應能壘"的協同路徑，實現了CO?還原性能的高效提升。

五、系統優勢與未來發展方向

（1）系統核心優勢

      相較于傳統單一條件評價設備，該系統的優勢體現在：一是實現光、電、熱參數的獨立調控與同步耦合，可模擬復雜實際反應環境；二是整合多維度檢測與數據分析功能，實現從宏觀性能到微觀機制的全面評價；三是具備高精準度的控場與檢測能力，確保實驗數據的可靠性與可重復性。

（2）未來發展方向

        未來可從三個方面對系統進行優化升級：一是拓展物理場種類，引入壓力場、磁場等，構建更全面的多場耦合評價體系；二是開發原位表征接口，集成透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）等設備，實現催化過程中催化劑結構與成分的實時動態觀測；三是結合人工智能算法，通過大數據訓練建立多場參數與催化性能之間的預測模型，為高效催化劑的理性設計提供指導。

六、結論

      多物理場耦合催化劑評價系統為光電熱協同效應研究提供了強有力的技術支撐，其精準的多場調控能力與全面的評價體系，能夠有效揭示協同作用機制并量化協同效率。通過該系統的應用，可打破傳統催化劑研發的局限性，加速從實驗室基礎研究到工業化應用的轉化進程。隨著系統功能的不斷完善與拓展，必將在能源催化、環境治理等領域發揮更加重要的作用，為解決能源與環境問題提供新的技術路徑。

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。