鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH01180E

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

圖文摘要

傳統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：傳統合成方法通常在較低溫度下進行，難以實現新材料的合成。

（2）處理時間長，合成效率低：傳統合成方法往往需要數小時甚至數天的時間，且需要反復操作，導致催化劑制備效率低下。

（3）合成過程易出現材料表面氧化、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，易發生氧化和團聚，影響催化性能。

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

焦耳加熱方法優勢：

（1）可控動力學條件： 通過調節加熱時間，氛圍和溫度，可以精確控制材料的合成過程，實現不同結構的制備和催化性質。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構。

（2）環境友好： 焦耳加熱過程無需使用有毒有害的化學試劑，具有環境友好特性。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，利用焦耳加熱技術制備碳納米管，僅需幾秒鐘即可完成，遠優于傳統化學氣相沉積法。 

圖1. 常用焦耳加熱設備示意圖

快速焦耳加熱技術在材料合成方面的構建策略：

（1）界面工程： 通過快速焦耳加熱技術實現界面工程，能夠優化催化劑的電子結構，提高催化活性。例如，通過構建異質結構，可以形成內部電場，促進電子轉移，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，利用焦耳加熱技術制備NiFe合金納米顆粒，可以顯著提高其電化學活性表面積，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，并調節其配位環境和電子態，提高催化活性。例如，利用焦耳加熱技術制備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節活性位點的電子結構，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氫活性。

圖2. 部分催化劑合成示意圖與相關材料表征

快速焦耳加熱技術在催化劑制備中的應用前景廣闊，但仍面臨一些挑戰，例如：

（1）缺乏對材料形成機制和結構-性能關系的深入理解： 需要進一步研究焦耳加熱過程中材料的形成機制，以及加熱參數與材料結構、性能之間的關系，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結構存在困難：需要開發新的技術，例如模板策略，以精確控制材料的形貌和結構。

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

（4）可以將焦耳加熱技術與機器學習等人工智能技術結合，實現催化劑的精準設計和制備，從而推動催化材料的進步，并為解決能源和環境問題做出貢獻。

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的焦耳加熱裝置。