鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH01180E

近日，中國海洋大學(xué)的孟祥超教授團隊在《Materials Horizons》期刊上發(fā)表了題為“Progress and perspectives of rapid Joule heating for the preparation of highly efficient catalysts”的綜述性論文，總結(jié)了新型焦耳加熱技術(shù)在高效催化材料生產(chǎn)中的應(yīng)用以及構(gòu)建策略。通過快速、精準(zhǔn)的快速焦耳加熱技術(shù)為催化材料的研發(fā)提供了新的思路和方法。 

圖文摘要

傳統(tǒng)的催化劑合成制備方法，如溶膠-凝膠法、水熱法、高溫煅燒等，仍然存在以下問題：

（1）溫和的合成條件限制材料催化性能：傳統(tǒng)合成方法通常在較低溫度下進(jìn)行，難以實現(xiàn)新材料的合成。

（2）處理時間長，合成效率低：傳統(tǒng)合成方法往往需要數(shù)小時甚至數(shù)天的時間，且需要反復(fù)操作，導(dǎo)致催化劑制備效率低下。

（3）合成過程易出現(xiàn)材料表面氧化、團聚等問題： 在高溫條件下制備催化劑，活性位點例如：金屬原子等，易發(fā)生氧化和團聚，影響催化性能。

快速焦耳加熱技術(shù)，作為一種基于焦耳定律的快速加熱技術(shù)，能夠在短時間內(nèi)將材料加熱到目標(biāo)溫度，并迅速冷卻，從而打破傳統(tǒng)制備方法的束縛，為催化材料的研發(fā)提供了新的路徑。

焦耳加熱方法優(yōu)勢：

（1）可控動力學(xué)條件： 通過調(diào)節(jié)加熱時間，氛圍和溫度，可以精確控制材料的合成過程，實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的制備和催化性質(zhì)。例如，通過控制加熱時間可以控制納米顆粒的尺寸、分布；通過控制溫度可以控制催化材料的晶體結(jié)構(gòu)。

（2）環(huán)境友好： 焦耳加熱過程無需使用有毒有害的化學(xué)試劑，具有環(huán)境友好特性。同時，可以利用廢棄塑料等可再生資源作為碳源，制備高效碳基催化劑。

（3）合成效率高： 快速的加熱和冷卻過程大大縮短了制備時間，提高了催化劑制備效率。例如，利用焦耳加熱技術(shù)制備碳納米管，僅需幾秒鐘即可完成，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法。 

圖1. 常用焦耳加熱設(shè)備示意圖

快速焦耳加熱技術(shù)在材料合成方面的構(gòu)建策略：

（1）界面工程： 通過快速焦耳加熱技術(shù)實現(xiàn)界面工程，能夠優(yōu)化催化劑的電子結(jié)構(gòu)，提高催化活性。例如，通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以形成內(nèi)部電場，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，提高催化活性

（2）小尺寸、高分散納米顆粒制備： 快速焦耳加熱可以合成均勻尺寸的納米顆粒，因此提供豐富的活性位點。例如，利用焦耳加熱技術(shù)制備NiFe合金納米顆粒，可以顯著提高其電化學(xué)活性表面積，從而提高催化活性。

（3）單原子催化劑的高效制備： 焦耳加熱技術(shù)的超快加熱、冷卻速率可以有效防止單原子催化劑的團聚，并調(diào)節(jié)其配位環(huán)境和電子態(tài)，提高催化活性。例如，利用焦耳加熱技術(shù)制備Pt單原子催化劑，可以顯著提高其CO氧化活性。

（4）高熵合金制備： 焦耳加熱可以合成高密度、均勻分散的高熵金屬納米顆粒，并利用高熵效應(yīng)提高催化活性。

（5）缺陷工程： 利用快速焦耳加熱通過缺陷工程可以調(diào)節(jié)活性位點的電子結(jié)構(gòu)，提高催化活性。例如，通過引入氮空位，可以降低催化劑的氫吸附能，從而提高其光催化產(chǎn)氫活性。

圖2. 部分催化劑合成示意圖與相關(guān)材料表征

快速焦耳加熱技術(shù)在催化劑制備中的應(yīng)用前景廣闊，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如：

（1）缺乏對材料形成機制和結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的深入理解： 需要進(jìn)一步研究焦耳加熱過程中材料的形成機制，以及加熱參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系，以便更好地控制材料的合成過程。

（2）精確合成各種多級和異質(zhì)結(jié)構(gòu)存在困難：需要開發(fā)新的技術(shù)，例如模板策略，以精確控制材料的形貌和結(jié)構(gòu)。

（3）大規(guī)模制備方法尚不成熟： 需要優(yōu)化焦耳加熱裝置的設(shè)計和操作參數(shù)，以提高其大規(guī)模制備的能力。

（4）可以將焦耳加熱技術(shù)與機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)催化劑的精準(zhǔn)設(shè)計和制備，從而推動催化材料的進(jìn)步，并為解決能源和環(huán)境問題做出貢獻(xiàn)。

本文孟祥超教授團隊在實驗中使用的快速升溫裝置為合肥原位科技有限公司研發(fā)的焦耳加熱裝置。