研 究 背 景

C₁分子，包括CO、CO₂、CH₄、CH₃OH、CH₂O等，是连接煤化工、天然气化工、CO₂资源化利用和绿色能源转化的重要基础分子，其高效催化转化是实现碳达峰、碳中和目标的重要技术路径。然而，传统热催化过程通常依赖外部炉体或化石燃料燃烧供热，存在传热路径长、温度分布不均、能耗高和催化剂易失活等问题，尤其在重整、脱氢、裂解等强吸热反应中，热量供给与反应过程的不匹配会进一步限制过程效率。随着风能、太阳能等可再生电力快速发展，以电能替代传统燃烧供热成为化工过程低碳化的重要方向。焦耳热催化利用电流通过导电催化剂或导电载体时产生的电阻热，在反应界面实现原位、快速、均匀供热，不仅能够缩短热传递路径、提升能量利用效率，还可赋予反应体系快速启停、精准控温和紧凑化设计等优势，为C₁分子高效转化提供了新的技术路线。

成 果 介 绍

宁波工程学院、东华大学、上海电机学院和昆士兰科技大学等单位合作在Carbon Energy发表题为“Beyond Furnaces: Harnessing In-Situ Joule Heating for Efficient C₁ Catalysis”的综述文章。该文聚焦原位焦耳热驱动C₁分子高效催化转化这一新兴方向，围绕CO、CO₂、CH₄、CH₃OH、CH₂O等C₁分子的低碳转化需求，系统梳理了焦耳热催化的基本原理、导电催化材料与反应器构型、典型应用体系及电热协同机制。文章重点总结了焦耳热催化在CO₂甲烷化、重整制氢、甲醛和CO氧化等C₁催化反应中的最新进展，并从热传递增强、电子动力学和能带结构调控三个层面解析了电流、热场与催化反应之间的协同作用。该综述不仅展示了焦耳热催化在CO₂资源化利用、低碳制氢和污染物高效去除中的应用潜力，也为可再生电力驱动的绿色低碳化工过程提供了新的研究思路和发展方向。

研 究 亮 点

1.系统梳理焦耳热催化驱动C₁分子转化的研究进展

文章围绕CO₂甲烷化、重整制氢、甲醛和CO氧化等典型反应，总结了焦耳热催化在C₁分子高效转化中的应用进展，展示了其在CO₂资源化利用、低碳制氢和污染物去除等方向的应用潜力。

2.从“热传递—电子动力学—能带调控”三个维度解析电热协同机制

文章指出，焦耳热催化并非简单的“电加热”，而是在电流、热场与催化反应共存条件下形成电热耦合环境。该过程不仅能够增强热传递，还可能通过促进电子传输、氧物种迁移、界面电荷转移和能带结构变化，调控反应路径并提升催化活性。

3.面向理论认知、材料设计与工程应用提出发展方向

文章进一步讨论了焦耳热催化在热效应与电流/电场效应区分、原位表征与理论模拟、导电单体催化剂设计、催化剂—载体界面优化、反应器放大和电热设备集成等方面仍需突破的关键问题，为焦耳热催化从基础研究走向绿色低碳化工应用提供了参考。

图 文 解 析

图1 传统加热与焦耳热加热技术对比

图1展示了传统外部加热与焦耳热原位加热在热流方向和温度分布上的差异。传统加热通常依赖反应器外部供热，热量需要经过炉壁、传热介质和催化剂床层逐级传递，容易形成明显温度梯度。焦耳热催化则通过电流直接在导电催化剂或导电载体内部产生热量，使热源更接近反应界面，从而实现更快速、更均匀和更高效的加热。该图直观展示了焦耳热催化“超越炉体加热”的核心优势。

图2 焦耳热催化CO₂甲烷化

图2展示了焦耳热催化用于CO₂甲烷化反应的反应器构型、催化性能和稳定性表现。在CO₂甲烷化反应中，导电多孔基底如镍泡沫可作为电热载体，使电流产生的热量直接传递至催化活性位点。该类结构有利于提升热利用效率、缩短反应启动时间，并提高CO₂转化率、保持高CH₄选择性。相关结果表明，电热催化模式下催化活性明显优于传统加热模式，体现了焦耳热催化在CO₂资源化利用中的应用潜力。

图3 焦耳热催化甲醇蒸汽重整制氢

图3展示了电热单体催化剂在甲醇蒸汽重整制氢中的结构设计、升温行为和反应性能。重整制氢反应通常高度吸热，传统工业过程需要大量外部供热，容易导致能耗高、装置体积大和温度分布不均。以甲醇蒸汽重整为例，电热单体催化剂可通过导电基底实现快速升温，并在较高空速下保持高效转化，有望推动紧凑型、低碳化制氢反应器的发展。

图4 焦耳热催化甲醛和CO氧化

图4展示了焦耳热催化在甲醛和CO等气态污染物氧化去除中的典型体系和性能优势。通过将活性组分负载在碳材料、合金丝或导电复合材料上，可在较低输入功率下实现甲醛和CO的高效氧化。与传统外部加热相比，该策略能够减少对非反应区域的无效加热，有助于降低能耗并提高污染物去除效率。

图5 焦耳热催化中的增强热传递效应

图5展示了焦耳热催化如何通过原位供热和动态热调控改善反应过程中的传热效率。与传统外部加热相比，焦耳热能够在催化剂内部或催化界面附近直接产生热量，减少传热路径和热阻，使反应体系具有更快的热响应能力。同时，可编程焦耳热加热—淬冷模式能够在毫秒尺度内实现温度切换，从而调控反应路径、抑制副反应并提高目标产物选择性。

图6 焦耳热催化中的电子动力学与氧物种迁移效应

图6展示了外加电流/电场对电子运动、晶格氧释放和氧物种迁移的促进作用。在导电催化体系中，电流不仅产生焦耳热，还可能促进活性氧物种生成、加速晶格氧迁移，并在部分体系中增强催化剂与反应物之间的接触效率。这说明焦耳热催化并非单纯的热效应，而是在热场、电子运动和反应界面共同作用下影响催化过程。

图7 焦耳热催化中的能带结构调控效应

图7展示了外加电场对催化剂表面及界面电子结构、反应物吸附行为和反应路径的调控作用。电场可诱导局域电荷密度和电子结构变化，改变反应物吸附与活化过程，降低反应活化能，并促进关键中间体的生成与转化。该图从电热催化甲烷重整、甲醛降解和甲烷干重整等体系出发，展示了界面电子结构调控在提升催化活性和改变反应机制中的重要作用。

作者简介

孔雪

孔雪，博士毕业于大连理工大学。目前就业于宁波工程学院，主要从事综合能源系统优化、技术经济分析、综合效益评价、能源与环境政策、二氧化碳减排、碳足迹分析等方向的研究。已在Energy, International Journal of Electrical Power & Energy Systems和International Journal of Hydrogen Energy等能源类国际权威学术期刊上发表多篇学术论文。

李小鹏

李小鹏，先后在华东理工大学、韩国汉阳大学、德国马克思•普朗克微结构物理研究所与德国马丁路德大学先后获得学士、硕士、博士学位。目前担任东华大学材料科学与工程学院研究员，主要研究方向为催化剂的原子级精准构筑、电解水制氢联产化学品和新型储能器件：金属空气电池、固态锂离子电池，目前已在国内外期刊，如：Nature Catalysis, Matter, Joule上发表相关论文六十余篇。

薛业建

薛业建，2017年毕业于中国科学院大学材料物理与化学专业。自2006年以来，一直从事新能源材料相关技术的教学与科研工作。目前担任宁波工程学院副教授，主要研究方向为陶瓷基固态电解质、金属(氢)燃料电池。在国内外学术刊物上发表学术论文40余篇，其中SCI索引39篇。申请专利50余项，其中已授权发明专利42项。

罗维

罗维, 复旦大学理学博士。目前担任东华大学材料科学与工程学院研究员，主要从事无机多孔材料、先进块体材料，以及其在能源、传感与发光等方面的应用研究。以第一作者和通讯作者的身份在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Today等国际著名期刊发表了多篇SCI论文。受邀担任Chinese Chemical Letters青年编委，中国材料研究学会青年工作委员会理事，Frontiers in Chemistry评审编辑，参与组织2017 International Symposium on Functional Materials for Energy Storage and Conversion国际会议，并担任会议执行主席。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Beyond Furnaces: Harnessing In-Situ Joule Heating for Efficient C₁ Catalysis

文章研究方向：

电热催化、C₁分子转化、能源催化、碳中和催化— —焦耳热催化、C₁分子催化、CO₂甲烷化、重整制氢、甲醇蒸汽重整、甲烷重整、甲醛氧化、CO氧化、传热强化、电热协同、电子动力学、能带结构调控

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70278

DOI: 10.1002/cey2.70278

编辑 | 金罗曼

审核 | 李   娟

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