编者按：为有效推动科学普及与科技创新两翼齐飞，营造尊重科学、崇尚创新的浓厚氛围，我们再次推出“科学家讲科学”系列科普讲座，在上一期邀请我省自然科学基金创新研究群体基础上，此次燕赵青年科学家项目负责人带来了他们各自研究领域基础科学知识，带你用好奇更新已知边界，用科学连接未来生活。让我们与省自然科学基金背后的专家面对面，与科学零距离，继续有料有趣的奇妙科普旅程！

　　今天我们一起走进河北大学李亚光研究员团队，解密自然光热催化的创新与突破。

　　自然光热催化的构建与应用

　　化石燃料如石油、煤炭和天然气是人类主要的能源来源，但它们不可再生且在使用过程中产生大量二氧化碳，导致严重的环境问题。为实现可持续发展，开发和利用包括生物能、风能和太阳能在内的可再生能源显得尤为重要。其中，太阳能以其资源丰富和清洁的特点，成为国内外研究的重点课题。

　　近年来，将太阳能转化为化学能的光驱动催化反应引起了广泛关注。光热催化作为其中的重要技术，利用窄带隙或零带隙材料吸收太阳光，将其转化为热能和热载流子，从而驱动催化反应。通过这种方法，太阳光吸收率接近100%，远高于光催化和光电催化（通常低于50%），因此在二氧化碳资源化、一氧化碳氧化、化合物制氢和污染气体脱除等方面表现出卓越的性能，并具有工业应用的潜力。

　　

　　图1 河北大学李亚光研究员

　　然而，传统光热材料在低密度自然太阳光下温度过低（普遍低于100℃），无法驱动工业催化。现有的解决方案如辅助加热或增加太阳光辐照强度（至少需要10倍标准太阳光密度）虽然有效，但会带来巨大的成本和能源消耗，使得光热催化难以实际应用。因此，提升光热材料在低密度太阳光下的温度是光热催化从基础研究走向应用的关键问题。

　　李亚光团队针对这一问题，发现红外热辐射是光热材料热耗散的主要途径。通过设计氮元素梯度变化的AlNx薄膜，成功实现了光热系统的高效吸光和超低红外辐射。该光热材料在标准太阳光辐照下可将温度提升至288℃，远超传统光热材料的120℃。经过进一步改进，光热材料在自然太阳光辐照下的温度突破350℃，完全满足工业催化需求。

　　

　　图2李亚光研究员与光热器件

　　基于这一自然光热催化体系，李亚光团队首次实现了室外太阳光辐照驱动的二化碳甲烷化反应，二氧化碳转化效率达80%，甲烷产率为7.5 L/m²·h，与工业热催化相当。同时，他们还实现了自然太阳光辐照驱动的甲醇重整制氢，速率达310 mmol g-1 h-1，太阳能到氢能的转化效率达到30.1%，超越了光伏电池的效率。此外，团队还成功进行了自然太阳光驱动的光热产氢、一氧化碳氧化、氮氧化物脱除和挥发性有机物燃烧等实验。

　　李亚光团队基于新型光热材料，提出了一种人工光合作用范式，集成了光伏电解水分解和光热二氧化碳加氢技术，构建了面积达103平方米的人工光合作用系统，每天可生产超过22立方米的绿色合成气，光化学能量转换效率超过17%。这一研究为实现利用自然太阳光驱动的人工光合作用系统提供了新路径，为未来的碳中和研究开辟了新的可能性。

　　李亚光团队在光热催化领域取得了重大突破，为能源和环境问题的解决提供了新的思路。让我们期待更多科学家继续探索，为未来带来更多惊喜与可能。

原文链接：https://kjt.hebei.gov.cn/www/xwzx15/hbkjdt64/311980/index.html
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