利用太阳能制取氢气、醇类、氨、烃类等燃料是可再生能源领域的重要研究方向，也是中科院“液态阳光”倡议的主要内容。光热复合催化是近年来新兴的太阳能-燃料转化方式，指热能、光能协同作用下的催化反应，其相对于热化学反应具有温度低的优势，相对于光化学反应具有速率加快的优点，近年来逐渐成为美国、日本、欧盟等国的研究热点。
在当前的光热复合催化研究中，主要通过在非聚光的半导体光催化反应中引入电加热，观察反应路径、选择性和产率的变化规律。在分解CO2和水制碳氢燃料方面，相比于室温下的光催化反应，光热复合催化可提高20-40倍反应速率；相比于单纯太阳能热化学，可将反应温度从高于1200℃降低到200-400℃。然而，电加热的光催化反应仍存在以下问题：（1）非聚光太阳能反应器面积较大，电加热温度场与光场难以协同；（2）在太阳能聚光反应器上，输入的光能和热能均具有较高能流密度，常规光催化剂不能对其进行有效利用。
针对上述问题，中科院工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室设计提出了全光谱太阳能聚光光热复合催化反应器，如图1所示。与以往电加热光催化反应不同，该反应器直接通过氙灯模拟5-30倍聚焦太阳光，照射进反应器内的液固或气固反应床上。反应床内的纳米光热催化剂可将聚光太阳能同时、同地转化为光生载流子和热声子，促进了温度场和光场的协同，不需电加热维持反应温度。该反应器具有提升光热复合反应速率和太阳能-燃料效率的潜力。
在上述研究基础上，进一步合成了具有光热复合作用的等离激元金属负载TiO2纳米催化剂，并在15倍聚光比下开展了甲醇水重整制氢实验研究。负载等离激元金属的TiO2可利用280-780nm紫外-可见太阳光产生光生载流子。同时，红外波段太阳光可在TiO2中激发热声子，在催化剂表面产生80-100℃局域热能，活化反应物分子。实验结果显示，光热复合产氢速率1120mL gcat-1 h-1，相比于只利用紫外光的半导体光催化体系提高了50倍；同等催化剂用量下，与太阳能热化学体系的分解水产氢速率相近，而太阳聚光比有望降低20-30。经过50h重复实验，光热复合催化剂的微观形貌和催化活性保持稳定。
上述工作得到了国家自然科学基金和中国科学院前沿科学重点研究项目的支持，相关研究成果为基于太阳能燃料的可再生能源系统研发提供了一条新的途径。 （作者：唐三力 洪慧）
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