【综述】eScience:通过瞬态焦耳加热(JH)技术实现高效化学生产

学术   2024-12-11 09:58   中国台湾  



当前,实现碳中和的关键途径是减少对化石燃料的依赖,而化学工业作为全球二氧化碳排放的主要来源之一,亟需绿色转型。尽管风能和太阳能等可再生能源的发展为清洁电力的供应提供了新动力,但化学工业在实现电气化方面仍面临挑战。传统的化学合成过程,如蒸汽甲烷重整和合成氨,需要在极端条件下激活稳定反应物,这些过程不仅能耗高,且伴随大量二氧化碳排放。面对可再生能源的迅速发展和对碳中和的迫切需求,化学工业的电气化成为了实现高效、清洁、低碳合成的必由之路。瞬态焦耳加热(JH)技术以其在时间和空间上对热能控制的高精度,为电化学合成提供了一种新颖且可扩展的策略,展现出在激活稳定反应物、调节反应路径和产品选择性方面的巨大潜力,为化学工业的绿色、低碳发展开辟了新路径。






论文概要


在本文中,华中科技大学杨海平教授 、姚永刚教授等综述了一种应对能源和环境挑战的前沿、环保的化学合成方法——瞬态焦耳加热(JH)。随着对减少或替代化石燃料依赖、实现碳中和目标的迫切需求,瞬态JH技术在甲烷重整、合成氨、挥发性有机化合物去除、塑料回收以及将固体废物转化为功能性碳材料等领域展现出巨大潜力。文章详细概述了瞬态JH在热化学合成中的优势和最新进展,与传统的持续加热炉相比,瞬态JH技术能够实现更高的反应速率、能效、灵活性和多功能性。文中进一步探讨了瞬态反应机制、数据科学优化方法以及规模化生产模型,并展望了电化学工业与可再生能源结合在实现碳中和及长期能源存储方面的前景。此项研究不仅为电化学合成提供了新的视角,也为化学工业的绿色转型和可持续发展指明了方向。相关文章“Highly efficient chemical production via electrified, transient high-temperature synthesis”为题发表在《eScience》上。






图文概览


瞬态焦耳加热(JH)技术通过在空间和时间上精确控制热能,为电化学合成提供了一种高效、灵活的方法。JH能够实现超过3000 K的超高温,并具备高达10^5和10^4 K/s的加热/冷却速率,这使得它能够快速激活如甲烷(CH4)和氮气(N2)等稳定的反应物,并通过时间控制来调节反应路径和选择性。特别地,JH的动态加热通常具有仅数毫秒至数十毫秒的高温保持时间,与较低的平均温度相结合,有助于实现精确的能量供给和催化剂稳定性。因此,JH技术在多个重要反应中显示出显著优势(如图1所示),包括替代化石燃料以驱动高效的气相合成,以及将固体废物快速转化为增值产品。

1. 电致瞬态方法的评估

在对电致瞬态方法的评估中,瞬态焦耳加热(JH)技术以其在时空精确控制热能的能力而成为绿色、高效化学合成的有力候选。与传统的微波、等离子体、激光和感应加热相比,JH技术根据焦耳定律,通过控制脉冲电流在材料中产生电热转换,实现瞬态超高温,最小化热传递的空间和时间尺度。

图2 展示了不同电化学过程强化方法的电气能转换和加热模式,以及瞬态高温的时空控制精度。JH技术以其简单的设置和大规模电化学合成的能力而具有优势,能够在毫秒级时间内达到超过1500 K的高温,适应可再生能源的间歇性生产。

图3 进一步阐释了JH技术的空间和时间特性,包括传统与JH反应器的对比、CFD模拟的热轮廓、以及JH方法的脉冲温度和时间调节。这些特性使得JH技术在动态加热和快速淬火方面表现出色,有助于提高催化剂稳定性并降低能耗。

2. 气相热化学合成

JH技术在气相热化学合成中的应用广泛(图4所示,包括蒸汽甲烷重整(SMR)、挥发性有机化合物(VOCs)的催化氧化、甲烷裂解等过程。连续JH通过直接在催化位点提供能量,显著提高了反应效率和催化剂利用率,如在SMR中实现了超过95%的甲烷转化率。实时功率调整允许对反应条件进行精确控制,例如在VOCs氧化中实现了100%的甲苯转化率和低能耗。动态JH利用脉冲电流实现快速的温度切换,优化了反应路径,如在甲烷裂解中提高了C2产品的选择性并减少了副产品的生成。

3. 固相热化学合成

焦耳加热(JH)技术在固态热化学合成方面具有潜力。这种方法在多个应用领域显示出应用前景,例如金属纳米粒子合成、含碳固体废物的转化、亚稳态材料的合成以及塑料的解聚。

图5 描述了闪蒸焦耳加热(FJH),这是一种将含碳废物转化为高价值石墨烯的快速高温技术。FJH通过在石英管中放电,使材料瞬时达到3000 K以上,迅速合成涡轮层状的“闪蒸石墨烯”。这种方法不仅能够高效地从塑料、橡胶等含碳废物中生产石墨烯,还能回收电子废物中的贵金属,具有低成本和环境友好的特点。

图6 介绍了时空焦耳加热(STH),一种用于塑料解聚回收单体的技术。STH通过周期性脉冲电流在碳加热器中产生动态加热和空间温度梯度,促使塑料熔化、上升并解聚。这种方法能够在无催化剂的条件下,实现高单体产率,超越了传统方法和催化剂优化研究的成果。

4. 电致瞬态高温合成的前景与挑战

图7 讨论了通过机器学习优化焦耳加热反应的潜力。机器学习可以处理多参数调控的复杂性,帮助精确控制气相和固相合成中的反应路径。例如,贝叶斯优化已被用于动态焦耳加热下的甲烷裂解,以获得更多的所需产品(乙烯),并通过主动学习框架结合实验数据,成功获得最佳产量和相应的参数设置。

图8 展示了焦耳加热反应器放大生产的几种模式。这些模式包括连续活塞过程、连续带式过程以及卷对卷连续生产模式,适用于生产石墨烯基功能碳材料。此外,管式反应器阵列是气相热化学合成扩大生产的可能模式,它可以限制焦耳加热元件的尺寸,确保在放大生产时精确控制温度。

图9 探讨了焦耳加热技术与可再生电力存储的结合。随着风能和太阳能等可再生能源的快速发展,需要储能技术以实现高利用率。焦耳加热技术提供了一种将间歇性可再生电力与化学合成结合的能源存储方式。使用碳中性和或碳负性原料(如CO2、生物质等)合成可储存和运输的液态燃料和化学品(例如,生物质气化制甲醇和CO2加氢制甲醇),不仅能够实现全过程中零碳排放的绿色化学工业,还能为可再生电力提供长周期的化学能储存。结合碳捕获技术回收工业碳排放,有望实现“消费-捕获-化学合成”的碳循环,推动碳中和循环经济的发展。





总结展望


总之,瞬态高温合成技术以其精确的温度控制和快速响应能力,在热化学合成领域展现出独特的优势。该技术通过调节反应路径,已经在合成有价值化学品、处理VOCs、转化固体废物等方面显示出显著的效果。然而,尽管具有巨大潜力,该技术在更广泛应用的实用性、深入理解远离平衡状态的反应机制,以及规模化生产的可行性方面仍面临挑战。未来,瞬态高温合成技术与可再生能源的结合为化学工业的清洁合成和脱碳提供了新机遇。这种整合不仅能够提高能源利用效率,实现长期化学能储存,还能够推动碳中和和循环经济的发展。通过使用CO2和生物质等原料,该技术有潜力生产易于储存和运输的液态燃料和化学品,为构建全流程的碳中和循环提供了新途径。因此,尽管目前仍处于发展初期,瞬态高温合成技术值得我们进一步研究和开发,以实现化学工业的绿色转型。













文献信息:Yichen Dong, Yi Rao, Hanwen Liu, Hao Zhang, Rong Hu, Yingquan Chen, Yonggang Yao, Haiping Yang. Highly efficient chemical production via electrified, transient high-temperature synthesis, eScience, 2024.

https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100253.




超快高温焦耳热冲击技术推广



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超快高温焦耳热冲击技术介绍
      焦耳高温加热技术,特别是闪蒸焦耳热快速焦耳热技术,是材料科学领域的一项重大革新。凭借其无与伦比的加热速度精确的温度控制,这项技术为材料制备和性能研究带来了全新的视角
该技术基于焦耳定律,通过大电流产生的电阻热,在极短时间内实现材料的快速升温,甚至能在1秒内将材料加热至3000-4000℃的高温。这种极速的温度变化为材料制备和处理提供了前所未有的可能性焦耳高温加热技术显著超越了传统加热方法,如马弗炉和管式炉,其加热速度之快,远非传统加热设备所能比拟。

马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置

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焦耳高温热冲击装置
     焦耳高温热冲击材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温,能达到1秒内升温至3000K的效果,试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点,极大地节约了科研人员宝贵的科研时间,并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用,还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室(超)高温解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备。


1)焦耳加热装置标准版



2)焦耳加热装置通量定制版


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应用成果

向上滑动阅览

  • Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600

  • Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023.  DOI: 10.1002/aenm.202302484

  • High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.

  • Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703

  • Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.

  • High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.

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