Electrothermal synthesis of commodity chemicals

大宗化学品的电热合成法

论文亮点

• 电热合成方法（焦耳加热、微波、感应加热和等离子体）能够实现传统反应器无法达到的反应效果，如非平衡产物选择性
• 通过纳秒至毫秒级的能量脉冲实现动态和可编程操作，为化学反应提供了前所未有的控制能力

研究背景

• 大宗化学品的工业生产是全球能源消耗和温室气体排放的主要来源之一
• 传统热化学合成使用的加热过程通常由天然气或化石燃料燃烧提供动力，能源密集、效率低下且对环境有害
• 使用可再生电力替代化石燃料燃烧的过程热，为化学工业脱碳提供了重要机遇

研究方法

本研究系统回顾和分析了四种主要的电热合成方法：

1. 电阻加热（焦耳加热）

• 加热器材料选择：金属基（如FeCrAl合金）、碳基和陶瓷基材料
• 加热器结构设计：包括导线、片材、板材、管状和整体式结构
• 传热和传质优化：通过多孔结构和分级设计增强传热效率
• 规模化策略：尺寸放大和数量放大两种主要途径

2. 微波加热

• 利用介电材料选择性吸收电磁能产生热量
• 可实现局部加热效应，抑制不必要的气相化学反应

3. 感应加热

• 通过交变电磁场在导体内产生涡流进行加热
• 具有皮肤效应，可实现可调节的热渗透深度

4. 等离子体辅助合成

• 通过非平衡方式产生非常规中间物种（如激发分子、自由基、离子和电子）
• 可实现新反应路径，打破活化-吸附比例关系

研究还探讨了各种电热方法的材料选择性、传热模式、长度尺度、开关时间尺度和能量尺度等关键参数。

主要结论

• 电热合成方法相比传统加热方式具有更高的能量效率和反应控制精度
• 电阻加热方法在反应器设计和操作参数方面提供了广泛的灵活性，易于与现有工业基础设施集成
• 非电阻加热方法（微波、感应加热和等离子体）具有独特优势，如局部加热、场增强反应和非平衡物种生成
• 电热合成技术的工业化应用仍面临规模化挑战、高电力成本和系统耐久性等问题

电热化学合成方法概述

图1 | 使用电阻加热（焦耳加热）、感应加热、微波和等离子体的电热化学合成。括号中的文本指用于实现上述大宗化学品的反应和/或过程。

分析结果

该示意图展示了四种主要电热方法在大宗化学品合成中的应用范围。电阻加热适用于蒸汽甲烷重整(SMR)、干甲烷重整(DMR)等过程；微波加热可用于甲醇蒸汽重整(MSR)等反应；感应加热应用于甲烷脱氢芳构化(MDA)等过程；等离子体技术则用于甲烷直接脱氢二聚(MDD)等反应。这突显了电热合成方法的多样性和广泛应用潜力。

电阻加热器设计模型

图2 | 模型电阻加热器设计。a, 电阻加热器的代表性排列方式、宏观结构和配置。b, 用于同时进行PDH反应和H2分离的可电化碳中空纤维微反应器。c, 显示材料分级多孔壁的扫描电子显微镜图像。d, 使用多孔碳焦耳加热器进行塑料热解。

分析结果

电阻加热器的设计多样性为电热合成提供了灵活的反应器配置选项。分级多孔结构的设计特别值得注意，它不仅能增强传热效率，还能实现反应与分离的同步进行。多孔碳加热器在塑料热解中的应用展示了其优异的渗透性和热传递能力，实现了加热器与反应物的温度同步。

规模化策略与系统设计考虑

图3 | 电阻加热反应器的规模化策略和系统设计考虑。a, 电阻加热反应器的规模化策略。b, 基于壁面电化反应器进行SMR的放大计算。c,d, 使用较小(c)和较大(d)系统对塑料热解焦耳加热过程的规模化因素进行实验室探索。

分析结果

电阻加热反应器的规模化面临两个主要策略：尺寸放大（增加加热器长度或直径）和数量放大（增加加热器数量）。研究表明，尺寸放大策略与传统反应器类似，但受到传热限制；而数量放大策略则提供了更高的理论生产能力，且能更好地适应波动电力供应。塑料热解实验显示了从实验室尺度向更大系统过渡的可行性。

非电阻加热方法比较

图4 | 用于电热化学合成的非电阻加热方法。a, 各种电热合成方法在材料选择性、传热模式和途径等方面的比较。

分析结果

非电阻加热方法（微波、感应加热和等离子体）与电阻加热方法相比具有独特优势。微波加热具有体积加热特性，纳米级开关时间尺度；感应加热具有表面加热特性，秒级开关时间尺度；等离子体则具有体积/表面加热特性，纳米级开关时间尺度且能量尺度较高。这种比较展示了各种电热方法的互补性质，为混合电化策略提供了理论基础。

非电阻加热应用案例

图4 | 非电阻加热应用案例。b, 使用微波实现局部加热减少反应器壁废热。c, DMR反应中脉冲激光诱导等离子体在催化剂表面的*CH中间体空间分布。d, 非热等离子体振动激发N2分子打破NH3合成中的活化-吸附比例关系。

分析结果

非电阻加热方法在特定化学反应中展现出独特优势：微波加热能够实现局部加热，减少反应器壁废热，从而提高选择性和能效；等离子体技术能够集中关键中间体在催化剂表面，优化反应路径；非热等离子体通过振动激发分子，打破了传统催化中的活化-吸附比例关系限制，为高效合成氨提供了新途径。

未来发展方向

图5 | 电热化学合成的潜在未来方向。a, 可编程合成。b, 混合电化。c, 数据驱动优化。d, 能量效率和技术成熟度水平提升。

分析结果

电热化学合成的未来发展方向包括：可编程合成（通过数字控制实现时间和空间温度调节）、混合电化（整合两种或更多电热方法）、数据驱动优化（结合机器学习和高通量实验）以及能效和技术成熟度提升。这些方向展示了电热合成从实验室探索向工业实施过渡的路径，预计各种电热方法将逐步提高技术成熟度，最终实现工业化应用。