胡良兵最新Nature封面论文：这样的加热方式堪称完美！

【导读】

热化学反应沿着受反应温度和时间严重影响的特定途径进行。特别是根据阿伦尼乌斯定律，基本反应速率与温度呈指数关系，并且通过建立或移动化学平衡可以进一步影响产物分布。因此，加热曲线的动态调节可用于控制目标产物产率和选择性的反应途径。然而，尽管长期以来一直在努力开发动态加热反应器，但传统的热化学反应通常是通过在近平衡条件下连续加热来进行的。其原因在于传统的加热装置表现出较差的传热和较大的热惯性，这使得难以实现对温度曲线的时间控制，从而影响反应路径。以甲烷（CH₄）热解为例，已证明选择性CH₄转化为增值产品非常重要，但在相对温和的温度范围（<1400 K）下连续加热很难实现，其化学平衡的限制通常导致选择性受限、转化率低或两者兼而有之。由于缺乏对反应温度和时间的控制，因此非平衡条件下连续加热的传统热化学合成在提高合成速率、选择性、催化剂稳定性和能量效率方面面临着关键挑战。

【成果掠影】

在此，美国马里兰大学胡良兵教授和刘冬霞教授，以及美国特拉华大学Dionisios G. Vlachos教授等人提出了一种非平衡的、连续的合成技术，基于一个可编程的电流来快速切换高温（如高达2400K）和低温之间的反应实现脉冲加热和猝火（PHQ）（如0.02s开，1.08s关），快速淬火保证了高选择性和良好的催化剂稳定性，并降低了平均温度和能源成本。

结果表明，与在恒定温度下连续加热（图1a中的1273 K）的传统稳态方法相比，基于焦耳加热的PHQ方法只需在低温和高温之间快速切换（图1b中650和2000 K）几毫秒，简单地通过改变施加在碳加热器上的电流即可实现热化学合成。通过将多孔碳加热器与反应物直接接触以建立有效的热传递，也可以实现这种加热曲线。这种设计使气相反应物的温度和催化剂上吸附的表面物质与碳加热器的温度曲线密切相关，这使能够在非平衡条件下精确控制反应路径。

使用CH₄热解作为模型反应，本文PHQ方法与在接近平衡条件下进行的传统无催化剂CH₄热解相比，对类似的甲烷转化率（约13%）具有更高的选择性（>75%）（图1c）。本文的无金属催化剂PHQ技术的C₂产物选择性甚至优于使用优化催化剂通过连续加热进行CH₄热解（图1d）。此外，PHQ技术还可以扩展到多种热化学过程，如使用非优化的催化剂在大于100h的环境压力下，实现了约6000 μmol g_Fe^-1h^-1的NH₃稳定和高合成速率。因此，该方法为高效热化学合成建立了一个通用平台，其具有高反应速率和选择性、低成本和高催化剂稳定性。相关研究成果以“Programmable heating and quenching for efficient thermochemical synthesis”为题发表在Nature上，并被选为当期封面。

【核心创新点】

1.本文报告了一种动态操作技术，使用可编程加热和淬火（PHQ）以高选择性、速率和产率以及低成本进行增值产品的热化学反应，从而有效地解决这些问题；

2.实验结果表明，使用甲烷热解作为模型反应，本文设计的可编程加热和猝火技术对增值的C₂产物具有高选择性（>75%），其中传统的非催化方法一般小于35%，大多数使用优化催化剂的传统方法也小于60%。

【数据概览】

图一、本文PHQ方法与使用CH₄热解模型反应的常规连续加热之间的比较图二、详细的PHQ技术图三、PHQ技术的实用性和优势

图四、在环境压力下通过PHQ合成NH₃【成果启示】

综上所述，作者使用CH₄热解反应作为概念证明，验证了PHQ热化学合成技术。该工艺在不使用金属基催化剂的情况下，可实现对增值C₂产品的高选择性。同时，本文的PHQ热化学合成技术也为一系列工业上重要的热化学过程（例如NH₃合成）开辟了一个新模型。结果表明，PHQ可防止催化剂烧结，从而实现稳定且高的NH₃环境压力下的合成速率。一般来说，PHQ技术中的高温能够快速活化反应物以实现高速率和转化率，并且对加热过程的精确控制导致所需产物的高选择性和改进的催化剂稳定性。

文献链接：“Programmable heating and quenching for efficient thermochemical synthesis”（Nature，2022，10.1038/s41586-022-04568-6）

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