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台州学院王家成教授团队综述：焦耳热冲击非平衡合成金属单原子催化剂 —— 从原子级锚定到工业级构筑
来源:苏州开瑞仪器有限公司 | 作者:苏州开瑞仪器有限公司 | 发布时间: 21天前 | 35 次浏览 | 分享到:
焦耳加热技术凭借“超快、高效、可控、绿色”的核心优势，已然成为金属单原子材料规模化制备领域中最具潜力的技术路线之一。展望未来，相关研究需重点聚焦三大方向： ① 研发新型耐高温且富缺陷的载体材料，以实现多种金属单原子的均匀共锚定； ② 融合机器学习与高通量实验手段，构建“载体-前驱体-参数-性能”一体化大数据库，推动智能快速优化进程； ③ 借鉴高熵材料的Roll-to-Roll（卷对卷）工艺，助力焦耳加热制备单原子催化剂（JH-SACs）从实验室成果迈向产业化应用。 该综述为能源、环境、信息等多个领域的高性能单原子材料设计提供了系统性指导方案，将为碳中和目标的加速实现注入强劲动力。


       在全球能源结构加速向“碳达峰、碳中和”转型的背景下，开发高活性、高稳定性、低成本的催化与储能材料已成为迫切需求。金属单原子催化剂（SACs）凭借100%原子利用率、独特电子结构及量子尺寸效应，在电化学能源转化（锌-空气电池、电解水）、环境净化（CO氧化、VOCs降解）、电磁防护等领域展现出巨大应用潜力。  然而，传统高温煅烧、原子层沉积（ALD）、物理气相沉积（PVD）等合成方法存在设备复杂、负载量低、成本高昂及难以规模化等瓶颈。焦耳加热（Joule Heating, JH）技术以毫秒级超高温（>3500 K）冲击、极速冷却（>10⁴ K·s⁻¹）为核心特征，为非平衡态单原子合成提供了革命性途径，有望突破上述技术瓶颈，实现从“克级”到“吨级”的规模化跨越。


文章概述


  近日，台州学院王家成教授团队针对焦耳加热技术在金属单原子材料制备领域的应用展开系统梳理，深入剖析了其理论机制、装置分类、工艺参数及多元应用场景。该团队的研究成果首次从“理论-设备-材料-功能”四个维度，全面且系统地总结了焦耳加热（JH）合成贵金属（如Pt、Pd、Ru）与非贵金属（如Fe、Co、Ni、Cu、Zn）单原子催化剂（SACs）的最新研究进展。  通过与传统制备方法的对比，研究清晰凸显出焦耳加热技术在提升原子分散效率、调控负载量、提高产率及增强合成可控性等方面的显著优势。同时，团队还前瞻性地提出了未来发展方向，包括规模化卷对卷（Roll-to-Roll）制造、多金属单原子体系构建以及机器学习辅助快速筛选等，为焦耳加热合成金属单原子材料（JH-SACs）的工业化应用提供了切实可行的路线图。  该成果以《Rapid Joule Heating Synthesis of Metal Single-Atom Materials: Theory, Devices Construction, and Functional Applications》为题，发表于《Inorganic Chemistry Frontiers》期刊。  

1. 焦耳加热的核心理论

       焦耳加热技术合成金属单原子材料的理论核心，在于毫秒级非平衡热力学过程与强金属 - 载体相互作用的协同效应。具体而言，当电流脉冲在 2 秒以内将反应体系温度瞬间推升至 1500–3500 K 时，金属盐会快速裂解为原子蒸汽；而超高速升温（速率超过 10⁵ K/s）及后续的极速冷却（速率超过 10⁴ K/s），能够有效抑制金属原子遵循经典的成核 - 生长路径聚集。与此同时，在冷却阶段，金属原子的动能急剧下降，使其失去扩散团聚的能力，进而被载体表面的缺陷位点或含氧 / 含氮官能团通过键能大于 4 eV 的 M–C 键或 M–N 键牢牢捕获，最终形成稳定的单原子活性位点，实现了原子级分散度与催化活性的同步最大化。

2. 反应器设计的创新

1）平板式设备：

直接加热：以碳纸、石墨烯等导电载体为加热介质，通过通入电流使载体自身产生高温（如图 3b (1) 所示），尤其适用于高导电性材料的制备场景。
间接加热：将非导电样品放置于导电基板表面，借助基板的热传导实现样品加热（如图 3b (2) 所示），有效突破了载体导电性的限制，大幅拓宽了载体材料的选择范围。

2）管式设备：

单管设计：在石英管内填充碳等导电粉末作为发热体，可实现克级规模的金属单原子材料量产（如图 3c 所示）。
双管设计（即 FWF 系统）：通过外管的焦耳加热作用，促使内管中的硫、硒等挥发物气化，为气固反应提供了精准可控的反应环境，尤其适用于需气态反应物参与的合成过程（如图 3d 所示）。

3）金属单原子的可控合成

1）贵金属（Pt, Pd）：

Pt 单原子：通过 1500 K 脉冲加热（55 ms 升温 / 550 ms 冷却，循环 10 次），在碳载体上实现了 0.24 wt.% 的 Pt 单原子负载（图 5a）。
Pd/CeO₂：经 1273 K 脉冲加热（0.5 s / 次，循环 6 次）后，在 Pd/CeO₂体系中形成不饱和 Pd-O * 活性位点，使甲烷燃烧催化活性提升 20 倍（图 5c）。

2）非贵金属（Co, Fe）：

Co-N-C 位点：以多孔石墨烯为载体，经 2 秒焦耳加热（JH）处理后，成功构建 Co-N-C 活性位点，Co 负载量达 0.81 wt.%，在析氢反应（HER）中展现出 66 mV/dec 的低塔菲尔斜率（图 6b）。
Fe-N₄位点：以缺陷碳球为载体，在 1473 K 条件下合成 Fe-N₄活性位点，其氧还原反应（ORR）性能可与商业 Pt/C 催化剂相媲美（图 7a）。

4）JH vs. 传统方法的优势


5）功能应用突破

1、新能源领域：基于 Fe-N₄位点催化剂组装的锌空电池，在循环运行 1100 小时后，电压间隙仅为 0.92 V，展现出优异的循环稳定性（图 7a (6)）。

2、清洁燃料领域：Co 单原子电极（CoNG-JH）在析氢反应（HER）中表现出卓越的长效稳定性，连续运行 48 小时后，过电势仅增加 10 mV（图 7b (6)）。

3、环境治理领域：Pt₁/CeO₂催化剂在 423 K 条件下即可实现 CO 的高效全转化，相较传统工艺能耗降低 87%，凸显显著的能效优势（图 8a (5)）。

4、电磁波吸收领域：Co 单原子 / 碳复合材料（Co/C-600）凭借界面极化效应，成功实现 C-X-Ku 波段的宽频吸收性能，拓展了电磁波吸收材料的应用范围（图 8b (6)）。

6）机器学习加速优化

      团队提出建立整合载体特性、前驱体属性及加热参数的数据库，借助神经网络模型精准预测单原子负载效率（图 7g），从而实现合成工艺的智能化自动筛选。



图1：焦耳加热制备金属单原子材料的综合示意图

图2：焦耳加热技术发展历程时间轴


图3：焦耳加热反应器结构分类与原理示意

图4：典型金属单原子材料的焦耳加热参数汇总


图5：贵金属单原子焦耳加热合成实例


图6：非贵金属单原子焦耳加热合成策略


图7：焦耳加热单原子材料在新能源与环境中的典型应用

总结与展望

        焦耳加热技术凭借“超快、高效、可控、绿色”的核心优势，已然成为金属单原子材料规模化制备领域中最具潜力的技术路线之一。展望未来，相关研究需重点聚焦三大方向：  ① 研发新型耐高温且富缺陷的载体材料，以实现多种金属单原子的均匀共锚定；  ② 融合机器学习与高通量实验手段，构建“载体-前驱体-参数-性能”一体化大数据库，推动智能快速优化进程；  ③ 借鉴高熵材料的Roll-to-Roll（卷对卷）工艺，助力焦耳加热制备单原子催化剂（JH-SACs）从实验室成果迈向产业化应用。  该综述为能源、环境、信息等多个领域的高性能单原子材料设计提供了系统性指导方案，将为碳中和目标的加速实现注入强劲动力。

原文信息：Jiacheng Wang, Xinxing Shi, Zhenjie Cheng, Peng Du, Xiaohai Li, Lianli Jia,   Jitang Zhang  and  Lili Zhang. Rapid Joule Heating Synthesis of Metal Single-Atom Materials: Theory, Devices Construction, and Functional Applications. Inorg. Chem. Front., 2025. DOI: https://doi.org/10.1039/D5QI00777A

通讯作者简介


王家成，博士研究生，台州学院材料物理与化学学院教授

学习经历：

2000年毕业于南京工业大学（学校），材料科学与工程专业，获工学学士学位；

2007年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，材料物理与化学专业，获工学博士学位。

工作经历：

2023年9月至今，     台州学院，课题组PI，教授

2013年3月至2023年8月， 中国科学院上海硅酸盐研究所，研究员，博士生导师，课题组长

2012年9月至2013年2月， 卡迪夫大学（英国），欧盟玛丽居里研究员（Marie Curie Intra-European Fellow）

2011年4月至2012年8月， 德累斯顿工业大学（德国），洪堡学者（Alexander von Humboldt Research Fellow）

2010年4月至2011年3月， 东京大学（日本），日本学术振兴会外国人特别研究员（JSPS Postdoctoral Fellow）

2007年10月至2010年3月，东京大学（日本），博士后

主要科研项目： （1）国家自然科学基金面上项目，52472231，长链[NCN]2-功能基元配位的过渡金属化合物精准构筑与电催NO3-还原制氨性能研究，2025/1-2028/12，主持 （2）中央引导地方科技发展资金，2024ZY01011，重点实验室平台建设项目，2024/6-2026/5，主持 （3）国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目，52311530113，用于成对电合成的混合金属氢氧化物重构研究，2023/5-2026/4，主持 （4）上海市2022年度“科技创新行动计划”科技支撑碳达峰碳中和专项项目，22DZ1205600，高效共电解制备NH3和HCOOH双金属催化剂的活化重构与含氧阴离子调控研究，2022/9-2025/8，主持 （5）国家自然科学基金重大研究计划培育项目，92163117，“玻璃陶瓷”功能基元电催化剂的精准构筑及析氧性能研究，2022/1-2024/12，主持 （6）国家自然科学基金面上项目，52072389，三元过渡金属氮化物的电催化氧还原性能研究，2021/1-2024/12，主持 （7）上海市优秀青年学术带头人，20XD1424300，过渡金属氮化物电催化材料，2020/10-2023/9，结题，主持

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