Progress and perspectives of rapid Joule heating for the preparation of highly efficient catalysts

快速焦耳加热制备高效催化剂的进展与展望

论文亮点

研究背景

• 功能催化材料在环境、生物、能源等领域发挥着重要作用，但其性能受到合成方法的限制。
• 传统催化剂制备方法存在条件温和、处理时间长、能量转移效率低等问题，导致催化剂固有特性受限，如表面氧化和团聚。
• 需要开发新的合成策略，提供苛刻的动力学条件，以满足催化材料独特的化学和物理性质需求。

研究方法

本研究系统总结了快速焦耳加热技术的基本原理、参数设置以及在催化剂合成中的应用：

焦耳加热基本原理

基于焦耳定律，当电流通过导体时，电能转化为热能。热量产生公式：Q = I²Rt，其中R为电阻，I为电流，t为时间。

技术设置

研究比较了两种超快合成技术：

• Flash Joule Heating (FJH)：依靠电容器组通过高压放电操作，需要添加剂（如石墨烯和碳纳米管）建立导电路径。
• Carbothermal Shock (CTS)：热量直接基于碳材料产生，碳材料和直流/交流电组装形成导电路径。

关键参数

包括电压、电流、温度、响应时间、恢复时间等，这些参数根据不同材料进行优化设置。

材料制备过程

包括将前驱体附着在基底上、创建所需气体环境、设置电压和通电时间、电流通过基底产生热能，实现金属原子混合、成核和晶体生长。

主要结论

• 快速焦耳加热技术能够有效防止催化剂活性位点的氧化和团聚，提高催化性能。
• 该方法在合成高熵材料、单原子催化剂和缺陷工程等方面展现出巨大潜力，为高效催化剂设计提供了新途径。
• 与传统方法相比，快速焦耳加热具有能耗低、处理时间短、可大规模制备等优势，具有重要的应用前景。

Figure 1: 快速焦耳加热方法示意图

内容分析

该图展示了快速焦耳加热方法的整体流程和原理，包括前驱体处理、快速加热和冷却过程，以及最终催化剂的形成。

分析结果表明，这种方法能够实现超快速温度变化，有助于防止催化剂活性位点的氧化和团聚，提高催化剂的性能和稳定性。

Figure 2: FJH和CTS设备设置

内容分析

该图展示了两种快速焦耳加热技术（FJH和CTS）的设备设置和实物照片。

分析结果表明，FJH设备包括电源、电容器、闪蒸室、真空装置等组件，而CTS设备利用碳基基底产生的热量进行快速加热。这两种设备都能够实现超快速加热，为催化剂合成提供了有效的技术平台。

Figure 3: 瞬态特性应用示例

内容分析

该图展示了快速焦耳加热技术在材料合成中的瞬态特性应用，包括HKUST-1的快速合成和RuMo催化剂的形成。

分析结果表明，快速焦耳加热能够实现亚秒级处理，比传统方法快6个数量级，同时保持催化剂的3D形态和优异表面润湿性，显著提高了催化剂的活性面积和性能。

Figure 4: 碳基材料合成

内容分析

该图展示了利用快速焦耳加热技术合成碳基材料的过程和结果，包括卷对卷工艺制备石墨烯薄膜和从塑料废物合成碳纳米材料。

分析结果表明，焦耳加热技术能够连续生产大面积、高质量石墨烯薄膜，并实现从塑料废物到碳纳米材料的高效转化，避免了溶剂或水的使用，优于传统的化学气相沉积方法。

Figure 5: 无机非金属基材料

内容分析

该图展示了利用快速焦耳加热技术合成无机非金属基材料的过程，包括高熵二硼化物陶瓷和硅-碳复合材料。

分析结果表明，焦耳加热技术能够在10秒内烧结二硼化物陶瓷，形成晶粒之间的强连接和纳米尺度的界面，在隔热和机械性能方面发挥重要作用。同时，该方法还能够实现硅纳米颗粒在碳基质中的有效锚定，避免相分离和结构不稳定性。

Figure 6: 界面工程机制

内容分析

该图展示了界面工程对催化活性的影响机制，包括两种不同的作用方式。

分析结果表明，在第一种情况下，催化剂组分A和B之间的界面建立了电子转移的传输通道，反应主要在组分A上触发。在第二种情况下，组分A和B分别负责吸附和解吸过程，界面在将中间体从A转移到B方面发挥重要作用。这些机制为通过界面工程设计高效催化剂提供了理论基础。

Figure 7: 界面工程应用

内容分析

该图展示了通过快速焦耳加热技术实现界面工程的各种应用案例。

分析结果表明，焦耳加热能够产生丰富的弗兰克部分位错(FPDs)，优化异质界面上的电子重排，调节活性位点的活性。同时，该方法还能够增强材料之间的强耦合，提高化学稳定性，并改善离子电导率和界面接触，为高效催化剂和固态电池的设计提供了新策略。

Figure 8: 纳米粒子合成

内容分析

该图展示了通过快速焦耳加热技术合成纳米粒子的过程和结果。

分析结果表明，焦耳加热能够实现超小尺寸纳米团簇(<2nm)在缺陷基底上的均匀分散，避免粒子粗化。与传统方法相比，该方法合成的催化剂具有更大的比表面积、更小的纳米粒子和更大的电化学面积，同时节省约99%的能源，在低成本方面显示出潜力。

Figure 9: 单原子催化剂概念

内容分析

该图展示了不同粒径下原子表面比的示意图，说明了单原子催化剂的概念和优势。

分析结果表明，随着粒子尺寸减小，表面原子比例显著增加，单原子催化剂具有最大的原子利用效率、低配位金属中心和强金属-载体相互作用，比传统纳米粒子基催化剂具有更高的活性和选择性。

Figure 10: 单原子催化剂合成

内容分析

该图展示了通过快速焦耳加热技术合成单原子催化剂的过程和方法比较。

分析结果表明，焦耳加热通过可编程的周期性开关加热模式，能够在高温(1500-2000K)下有效合成和稳定单原子，形成热力学稳定的金属-缺陷键。与传统方法相比，快速焦耳加热不仅避免了不必要的相偏析和原子团聚，还能有效调节单原子催化剂的局部配位环境，显示出在单原子催化剂调控方面的潜力。

Figure 11: 高熵材料合成

内容分析

该图展示了高熵材料(HEMs)的热力学分析和通过快速焦耳加热技术合成高熵材料的过程和结果。

分析结果表明，快速焦耳加热由于其超快加热和冷却速率，已成为合成各种催化剂的有前途的方法。该方法能够在短时间内实现精确加热控制，导致无序金属元素的纳米级均匀相的瞬时形成。合成的高熵氧化物(HEOs)和高熵合金(HEAs)在催化反应中表现出高度协同效应，具有优异的OER性能。

Figure 12: 缺陷工程应用

内容分析

该图展示了通过快速焦耳加热技术实现缺陷工程的应用案例和分析结果。

分析结果表明，焦耳加热能够在碳纳米管上构建Ce掺杂的Co/CoO异质结，并证明缺陷的存在。与传统方法相比，该方法制备的催化剂表现出更大的电化学活性表面积和优异的本征活性，法拉第效率接近100%。理论分析表明，通过快速焦耳加热促进的Ru空位和Mo掺杂可以调节Ru-Ru键，优化d轨道电子结构和d带中心，从而促进H*在Ru位点上的吸附。

Figure 13: 缺陷工程进一步应用

内容分析

该图进一步展示了通过快速焦耳加热技术实现缺陷工程的应用案例和分析结果。

分析结果表明，快速焦耳加热可用于设计富氧空位基底并促进Ru团簇的形成，避免活性金属聚集。同时，该方法还能够构建氮空位，有利于增强光催化活性。XPS和EPR分析证明，快速加热方法倾向于诱导更多空位，并将Pt物种转变为低价Pt⁰，促进Pt和基底之间的电子转移，从而增强光催化产氢性能。