研究背景

能源短缺与环境污染是影响国民经济可持续发展的两大关键问题。利用新型可再生能源技术，实现产能升级与碳排放的减少，逐渐成为世界范围内的广泛共识。在众多可再生能源技术当中，利用太阳能进行能源转化制取太阳燃料，是一件极具挑战性且有前景的能源技术。CO2与CH4是典型的温室气体及重要的含碳资源，将二者作为碳源，并在太阳能的输入条件下，转化为化学品，既能够循环利用CO2实现节能减排，也能够完成太阳能源的存储与提质增效，符合我国构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系发展规划的要求。

利用太阳能光热化学转化技术实现太阳燃料的生产，其目前存在的关键瓶颈问题在于微观反应界面的能质转化机理不清、全光谱驱动的物质活化-重构机理与动力学特性不明、以及适配于太阳能直接驱动光热化学转化的新型反应器设计不足。针对上述问题，课题组从新型催化材料研发-反应机理与动力学特性解析-高效反应装置设计优化的角度出发开展研究，旨在提升太阳能光热化学转化过程的能量物质转化效率，从而为甲烷干重整制合成气、CO2加氢还原等重要能源化工过程的经济高效转化与系统安全稳定运行奠定理论技术基础。本文重点介绍课题组在太阳能光热化学转化领域的研究进展。

研究成果

研究成果1：全光谱“光热协同”体系能质转化机理

以往研究中，太阳能驱动的光热化学反应，多采用太阳能供热-热催化转化的方式，实现CO2、CH4等物质的转化，但因未改变催化反应原理，其仍然面临着分子活化困难、反应温度高、能量转化效率低、催化剂易积碳失活等问题。

对此，课题组从“光热协同”催化反应原理出发，构建了Ni/介孔氧化钛、Pt/介孔氧化钛、Pt/P25、Ru/CeO2等系列活性金属/半导体氧化物“光热协同”催化体系，并探索其在全光谱太阳能驱动下的微观能质反应转化机理。课题组研究表明半导体载体的光响应能力可在太阳能照射下激发电子-空穴；而活性金属/氧化物的金属载体强相互作用可在拓宽光谱响应范围的同时，进一步强化电子-空穴分离；光激发电子可通过界面迁移至金属活性位点，形成富电子结构从而强化反应物吸附活化特性，从而大幅提升CO2、CH4催化活性。与热化学转化工艺相比，同等条件的全光谱光热协同催化，可实现CO/H2生成速率提高1.4~1.8倍，CO2/CH4转化率提高20%~40%，展现出很好的应用前景（Chemical Engineering Journal,2022,429:132507;Energy Conversion and Management,2022,258:115496;Chemical Engineering Science,2023,274,118710）。

图1全光谱“光热协同”催化体系开发

为了强化太阳光谱的利用效率，课题组还进一步耦合纳米Au颗粒在特定波长下的等离激元共振效应，实现催化材料对光谱响应能力的进一步拓展；利用肖特基结金属-载体相互作用强化光激发电子-空穴的有效分离；并利用全光谱诱导的光电子-热电子共同耦合强化表面吸附物种的解离转化等策略，从载流子的激发-迁移-反应等环节，实现反应物种解离活化与H2/CO产率的倍数提升（Journal of Catalysis,2022,413,829-842.）。

图2载流子激发-迁移-反应强化机制

考虑到工业实际应用中，CO2/CH4气体实际处理通量较大，而在大通量处理条件下，现有的多数催化剂在完成CH4/CO2重整制合成气反应过程中，又会出现单程转化率低、积碳失活现象加剧等问题。课题组分析发现其动力学受限（转化率低）的主要问题在于CH4分解的第一个C-H键断裂困难；而在稳定性方面，过度的CH4解离能力则会导致表面C*物种生成累积并覆盖活性位点，从而影响金属位点进一步活化反应物。针对上述问题，课题组采用（1）强化金属位点向C-H反键轨道的电子捐献过程（光谱诱导的光电子-热电子共同促进），同时将活性金属制备至单原子尺度，利用单原子催化材料的高表面能强化反应物CH4的高效解离，实现CH4/CO2重整反应单程转化率的提升。（2）利用碱性金属元素掺杂强化表面CO2化学吸附，从而促进反向歧化反应的进行；利用CeO2载体的晶格氧迁移能力，促进晶格氧与表面积碳的气化反应，以此消除催化剂表面的积碳现象，从而提升催化材料在大通量处理条件下的长久稳定运行能力。据此策略，课题组报道的Ru基/CeO2光热协同催化材料，获得了优异的CH4/CO2催化活性（＞1.2 mol·gcat-1·h-1），且性能稳定运行超100小时（Nano Energy,2024,123,109401）。

最后，课题组基于CH4/CO2重整反应的研究成果，也将光热协同催化材料设计理念，进一步推广至CO2加氢还原、费托合成等不同反应体系，均大幅提升了催化反应活性，显示出光热协同催化在全光谱太阳能光热化学转化过程强化的普适性（Journal of Catalysis,2024,430,115303;Nano Research,2024,17,7945–7956）。

研究成果2.光热CO2/CH4反应机理与动力学特性

光热协同条件下的CO2/CH4反应机理方面，课题组采用原位DRIFTS/XPS/Raman等技术，全面剖析了金属/CeO2催化体系下的CO2/CH4重整全反应路径分析，以及高能光子对特定基元反应步骤的强化机制。课题组发现反应产物中的H2与H2O的生成路径几乎均由L-H机理控制，高能光子引入会通过强化CH4在Ru位点上解离的形式提高表面H*物种浓度从而显著促进H2的生成路径。此外，CO的生成路径则同时受到L-H、MvK与E-R三种机理控制，其中L-H与E-R机理同时被CH4解离产生的H溢流效应与CO2吸附作用所影响，生成COOH*物种后进一步生成CO*与OH*，因此以L-H或E-R机理引起的CO生成会降低DRM反应的选择性（Molecular Catalysis,2023,535,112828.;Journal of Colloid and Interface Science,2025,677,863-872）。同时，以MvK机理控制的CO生成路径会引起Ru-O-Ce与Ru-Ov-Ce界面结构的可逆动态衍变，而高能光子辐照会强化晶格氧的溢出与补充过程，强化催化剂对CH4/CO2的活化过程，并通过强化表面H*物种的产生而加速所有H*物种参与的基元反应步骤。

图3光热协同催化二氧化碳干重整基元反应机理

在此基础上，课题组提出了反应活化能及活化熵与入射高能光子的线性依变关系，并从经典Langmuir-Hinshelwood模型出发，推导构建出全光谱驱动的多因素依赖光热协同催化CO2/CH4干重整反应动力学模型，指出了高能光子强化反应倍率随温度的指数衰减关系，并揭示光强/光谱/温度/分压对反应特性的影响机制（AIChE J.2024;e18433）。同时，课题组也完成了负载型多孔催化活性吸收体动力学特性机制研究，系统揭示了吸收体结构与热质传递-反应的耦合作用机制，并基于平推流反应模型，采用遗传算法耦合非线性最小二乘算法，获得了工程应用的多孔活性吸收体宏观反应动力学模型，甲烷转化率平均相对误差2.6%，二氧化碳转化率平均相对误差4.7%，为太阳能甲烷干重整光热反应器的设计及优化提供动力学模型基础（Chemical Engineering Science,2021,239:116625.）。

研究成果3：光热反应器多物理场耦合设计与过程强化研究

聚光/集热反应器是太阳能驱动光热化学转化的关键反应场所，其结构、性能设计优化也是进一步提高太阳能光热化学反应物质、能量转化效率的重要途径。

针对太阳能驱动的光热反应器内部的多物理场耦合问题，课题组通过构建MCRT太阳辐射光学模型，并耦合反应器内热质传递计算流体动力学与反应动力学模型，实现了适用于太阳能光热化学转化的一体化光学反应器设计方法构建，并完成了反应器结构-性能关联机制研究。基于此方法，重点分析了过渡段倾角、长度，CPC截取比、接收半角等结构参数对反应器性能的影响机制，并发现了太阳能光热反应器区别于传统反应器的光子能流密度分布与结构型式的高敏感度关联作用，结构参数的微小变化，即会显著影响光子能流密度分布在反应器内部的分布特性，从而大幅影响能量物质的转化特性（Chemical Engineering Journal,2022,428:131441.）。

为了实现光热化学反应器性能的进一步提升，课题组也针对反应器内部的能流供给与反应需求匹配特性，提出了系列反应特性的过程强化调控策略。针对聚光固载型腔体式反应器，提出梯级孔变隙耦合变孔径结构，利用孔径“大小渐变”结构的辐射“体吸收效应”与孔隙率“递增结构”的“局部对流/导热强化”效应，改善辐射吸收以及能量转化效率，实现反应器集热效率提升。通过改进多孔活性吸收体几何结构及物料进气方式（圆环柱形至圆柱形），实现反应物料流动方式的定向设计，延长停留时间，大幅增加CH4/CO2转化率，及CO/H2产率（CO2转化率27.21%增至79.4%，CO产率12.79 mol/h增至35.44 mol/h）。针对太阳能光热化学转化系统的非稳态变工况能量输入特性，提出动态物料供给调控策略，在实现输入能流最大化的同时，保证输入能量与物料供给的时间分布特性匹配，进一步提升非稳态变工况太阳能光热化学转化系统的物质-能量转化效率（太阳能-化学能转化效率最大增幅可接近100%，Energy,2018,164:937-950.）。太阳能光热化学转换过程中能量传递与转化调控策略的发展，为保证太阳能到化学能的经济高效转化与系统的安全稳定运行提供重要理论支撑。

图4一体化光热反应器设计方法及太阳能光热化学转换能量转化调控策略

总结与展望

课题组近年来主要研究重点均集中在太阳能驱动的光热化学反应的能质转化机理与催化体系构筑、全光谱驱动的光热协同反应动力学特性研究、以及太阳能直接驱动的新型光热化学反应装置设计与优化等方面，有关的反应体系涉及到CO2/CH4干重整制合成气、CO2加氢还原制备C1化学品、太阳能光热化学制氢等。这其中，进一步的工作难点与重点则是在实验室研究基础之上，将太阳能光热化学转化体系放大至小试乃至中试示范规模，并实现较长时间的稳定运行。课题组也欢迎各位同仁不吝指导、相互交流，促进相关领域的进一步发展。

论文信息

[1]Tao Xie,Kai-Di Xu;Ya-Ling He;Kun Wang,Bo-Lun Yang.Thermodynamic and kinetic analysis of an integrated solar thermochemical energy storage system for dry-reforming of methane.Energy,2018,164:937-950.

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[3]Tao Xie,Hao-Ye Zheng,Kai-Di Xu,Zhen-Yu Zhang,Bo-Lun Yang,Bo Yu.High performance Ni-based porous catalytically activated absorbers and establishment of kinetic model for complex solar methane dry reforming reaction system.Chemical Engineering Science,2021,239:116625.（DOI:10.1016/j.ces.2021.116625;WOS:000649712400002）

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[6]Zhen-Yu Zhang,Tao Zhang,Wen-Peng Liang,Pan-Wei Bai,Hao-Ye Zheng,Yu Lei,Zhun Hu,Tao Xie*.Promoted solar-driven methane dry reforming of methane with Pt/mesoporous-TiO2 photo-thermal synergistic catalyst:performance and mechanism study.Energy Conversion and Management,2022,258 115496.

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[15]Ting Li,Zhen-Yu Zhang,De-Cun Luo,Bo-Yu Xu,Rong-Jiang Zhang,Ji-Long Yao,Dan Li,Tao Xie*.Highly efficient photo-thermal synergistic catalysis of CO2 methanation over La1−xCexNiO3 perovskite-catalyst.Nano Research,2024,17,7945–7956.

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作者介绍

谢涛，西安交通大学化学工程与技术学院，副教授，博士生导师。2005-2009年，就读西安交通大学，获学士学位。2009-2015年，就读西安交通大学，获动力工程及工程热物理博士学位。2015年博士毕业，进入化学工程与技术学院，开展太阳能光-热-化学转化过程以及热质传递转化规律的理论与实验相关研究工作。2016-2017年，在美国圣路易斯华盛顿大学访学交流。现任工业催化研究所副所长，获唐仲英基金会仲英青年学者，陕西省优秀博士学位论文，吴仲华优秀研究生奖等荣誉。以项目负责人，主持国家重点研发计划项目子课题1项，国家自然科学基金面上/青年项目3项，其他军工/省部级项目7项；在Nano Energy、AIChE Journal、Energy Conversion and Management、Chemical Engineering Journal、Journal of Catalysis、Environmental Science&Technology等国际SCI期刊发表学术论文四十余篇，其中ESI高被引论文2篇，单篇最高SCI他引次数264。申请发明专利6件，授权4件。受邀在国内外学术会议做学术报告5次。

联系方式：xietao_xjtu@xjtu.edu.cn