鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH01180E

近日，中國(guó)海洋大學(xué)的孟祥超教授團(tuán)隊(duì)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(guò)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(wèn)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(shí)現(xiàn)新材料的合成。

（2）處理時(shí)間長(zhǎng)，合成效率低：傳統(tǒng)合成方法往往需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)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(guò)程易出現(xiàn)材料表面氧化、團(tuán)聚等問(wèn)題： 在高溫條件下制備催化劑，活性位點(diǎn)例如：金屬原子等，易發(fā)生氧化和團(tuán)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(shí)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(shì)：

（1）可控動(dòng)力學(xué)條件： 通過(guò)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間，氛圍和溫度，可以精確控制材料的合成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的制備和催化性質(zhì)。例如，通過(guò)控制加熱時(shí)間可以控制納米顆粒的尺寸、分布；通過(guò)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(guò)程無(wú)需使用有毒有害的化學(xué)試劑，具有環(huán)境友好特性。同時(shí)，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(guò)程大大縮短了制備時(shí)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(guò)快速焦耳加熱技術(shù)實(shí)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(guò)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以形成內(nèi)部電場(chǎng)，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(diǎn)。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(tuán)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(guò)缺陷工程可以調(diào)節(jié)活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，提高催化活性。例如，通過(guò)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(duì)材料形成機(jī)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(guò)程中材料的形成機(jī)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(guò)程。

（2）精確合成各種多級(jí)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)存在困難：需要開(kāi)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(jì)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(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)催化劑的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制備，從而推動(dòng)催化材料的進(jìn)步，并為解決能源和環(huán)境問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。

本文孟祥超教授團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)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。