应用成果

链接：https://doi.org/10.1039/D4MH01180E

近日，中国海洋大学的孟祥超教授团队在《Materials Horizons》期刊上发表了题为“Progress and perspectives of rapid Joule heating for the preparation of highly efficient catalysts”的综述性论文，总结了新型焦耳加热技术在高效催化材料生产中的应用以及构建策略。通过快速、精准的快速焦耳加热技术为催化材料的研发提供了新的思路和方法。 

图文摘要

传统的催化剂合成制备方法，如溶胶-凝胶法、水热法、高温煅烧等，仍然存在以下问题：

（1）温和的合成条件限制材料催化性能：传统合成方法通常在较低温度下进行，难以实现新材料的合成。

（2）处理时间长，合成效率低：传统合成方法往往需要数小时甚至数天的时间，且需要反复操作，导致催化剂制备效率低下。

（3）合成过程易出现材料表面氧化、团聚等问题： 在高温条件下制备催化剂，活性位点例如：金属原子等，易发生氧化和团聚，影响催化性能。

快速焦耳加热技术，作为一种基于焦耳定律的快速加热技术，能够在短时间内将材料加热到目标温度，并迅速冷却，从而打破传统制备方法的束缚，为催化材料的研发提供了新的路径。

焦耳加热方法优势：

（1）可控动力学条件： 通过调节加热时间，氛围和温度，可以精确控制材料的合成过程，实现不同结构的制备和催化性质。例如，通过控制加热时间可以控制纳米颗粒的尺寸、分布；通过控制温度可以控制催化材料的晶体结构。

（2）环境友好： 焦耳加热过程无需使用有毒有害的化学试剂，具有环境友好特性。同时，可以利用废弃塑料等可再生资源作为碳源，制备高效碳基催化剂。

（3）合成效率高： 快速的加热和冷却过程大大缩短了制备时间，提高了催化剂制备效率。例如，利用焦耳加热技术制备碳纳米管，仅需几秒钟即可完成，远优于传统化学气相沉积法。 

图1. 常用焦耳加热设备示意图

快速焦耳加热技术在材料合成方面的构建策略：

（1）界面工程： 通过快速焦耳加热技术实现界面工程，能够优化催化剂的电子结构，提高催化活性。例如，通过构建异质结构，可以形成内部电场，促进电子转移，提高催化活性

（2）小尺寸、高分散纳米颗粒制备： 快速焦耳加热可以合成均匀尺寸的纳米颗粒，因此提供丰富的活性位点。例如，利用焦耳加热技术制备NiFe合金纳米颗粒，可以显著提高其电化学活性表面积，从而提高催化活性。

（3）单原子催化剂的高效制备： 焦耳加热技术的超快加热、冷却速率可以有效防止单原子催化剂的团聚，并调节其配位环境和电子态，提高催化活性。例如，利用焦耳加热技术制备Pt单原子催化剂，可以显著提高其CO氧化活性。

（4）高熵合金制备： 焦耳加热可以合成高密度、均匀分散的高熵金属纳米颗粒，并利用高熵效应提高催化活性。

（5）缺陷工程： 利用快速焦耳加热通过缺陷工程可以调节活性位点的电子结构，提高催化活性。例如，通过引入氮空位，可以降低催化剂的氢吸附能，从而提高其光催化产氢活性。

图2. 部分催化剂合成示意图与相关材料表征

快速焦耳加热技术在催化剂制备中的应用前景广阔，但仍面临一些挑战，例如：

（1）缺乏对材料形成机制和结构-性能关系的深入理解： 需要进一步研究焦耳加热过程中材料的形成机制，以及加热参数与材料结构、性能之间的关系，以便更好地控制材料的合成过程。

（2）精确合成各种多级和异质结构存在困难：需要开发新的技术，例如模板策略，以精确控制材料的形貌和结构。

（3）大规模制备方法尚不成熟： 需要优化焦耳加热装置的设计和操作参数，以提高其大规模制备的能力。

（4）可以将焦耳加热技术与机器学习等人工智能技术结合，实现催化剂的精准设计和制备，从而推动催化材料的进步，并为解决能源和环境问题做出贡献。

本文孟祥超教授团队在实验中使用的快速升温装置为合肥原位科技有限公司研发的焦耳加热装置。