随着全球对能源和材料的日益增长，大气中二氧化碳浓度不断攀升，化学工业作为能源消耗大户，其脱碳化已成为当务之急。传统的化学合成过程往往依赖化石燃料燃烧产生的热量，这不仅效率低下，而且会排放大量温室气体。为了解决这一难题，焦耳加热作为一种高效、清洁的加热方式应运而生。该技术利用电流通过导体产生的电阻热，直接将电能转化为热能，从而为化学合成和先进材料制备提供了一种可持续的解决方案。本文将探讨焦耳加热在脱碳化化学和先进材料合成中的应用，包括材料选择、反应器设计以及相关合成过程的案例研究。
主要的研究发现和成果：
1 焦耳加热是一种高效、清洁的加热方式，可以显著降低能源消耗和温室气体排放。
2 焦耳加热可以用于多种化学反应和材料合成，包括氨合成/分解、蒸汽甲烷重整、CO2转化/还原、石墨烯、金属、金属氧化物、金属碳化物等。
3 焦耳加热反应器的设计对反应效率和材料质量有重要影响。
4 焦耳加热技术具有广阔的应用前景，可以推动化学工业的绿色低碳发展。
由于能源和材料需求的增长，大气中二氧化碳浓度不断上升。化工生产产业能耗巨大，每年造成约9.35亿吨二氧化碳排放，因此去碳化是其未来发展的主要目标。化工行业中能源消耗和二氧化碳排放的主要来源之一是材料合成过程中热量的生产和使用，传统上是通过化石燃料的燃烧来产生热量。焦耳加热作为一种替代加热方法，能显著提高过程效率，降低能源消耗和温室气体排放。论文讨论了焦耳加热过程中的关键概念，包括材料选择和反应器设计，以及将焦耳加热应用于生产商品化学品和先进材料（如石墨烯、金属物种和金属碳化物）的最新研究进展。最后，论文展望了未来该领域的研究方向，以促进焦耳加热技术在工业过程去碳化中的广泛应用。
图1：该图展示了多种焦耳加热材料的电导率和热导率，并与常见材料进行了对比。从中可以看出，金属通常具有高热导率，但电导率较低；陶瓷和碳材料则具有高电导率，但热导率相对较低。这种材料特性使得焦耳加热材料的选择需要权衡热效率和加热均匀性。
图2：该图展示了两种基于填充床的焦耳加热反应器设计。图2A中的反应器使用掺杂锡氧化物作为导电催化剂，并将其放置在导电铜网之间，通过施加电流直接加热催化剂床层。图2B则展示了闪速焦耳加热（FJH）反应器的结构，其中反应物前驱体被放置在两个电极之间，并通过电容放电产生的瞬时高电压加热至高温，实现快速合成。
图3：该图展示了基于金属管的焦耳加热反应器设计。该反应器使用FeCrAl合金管作为加热元件，并通过浸渍法制备了负载有镍基催化剂的氧化锆涂层。该设计简单易行，且具有较高的加热效率和催化活性。
1. 焦耳加热材料的多样性和设计
1.1 材料选择
论文强调了焦耳加热材料的选择对加热效率和均匀性的重要性。金属合金（如镍铬合金、铁铬铝合金）、碳材料（如石墨、碳纳米管、石墨烯）、陶瓷（如碳化硅、钙钛矿）等都是常用的焦耳加热材料。图1展示了不同材料的电导率和热导率，表明材料选择需要权衡热效率和加热均匀性。
2.2 焦耳加热反应器设计
填充床: 论文介绍了填充床反应器的结构和工作原理，例如图2A所示的基于掺杂锡氧化物的焦耳加热反应器，以及图2B所示的FJH反应器。这些反应器简单易行，但可能存在压力降等问题。
加热丝/管: 论文介绍了加热丝/管反应器的结构和工作原理，例如图3所示的FeCrAl合金管加热元件，以及图4所示的NiCrAl泡沫加热元件。这些反应器结构简单，易于控制，但可能难以实现高效的加热均匀性。
泡沫: 论文介绍了泡沫反应器的结构和工作原理，例如图5所示的Si-SiC泡沫加热元件。这些反应器具有高比表面积和良好的热传导性能，但可能需要复杂的制造工艺。
增材制造: 论文介绍了增材制造在焦耳加热反应器中的应用，例如图2B所示的FJH反应器，以及图7所示的Si-SiC泡沫加热元件。增材制造可以制备复杂形状的反应器，并优化其热/质量传递机制。
图4：该图展示了焦耳加热在氨分解反应中的应用。图4A展示了使用NiCrAl泡沫作为催化剂支撑体的氨分解反应器，并展示了其结构和工作原理。图4B和4C分别展示了不同输入功率和流量下，氨转化率和转化效率的变化趋势。结果表明，焦耳加热可以有效提高氨分解反应的效率。
图5：该图展示了焦耳加热在逆水煤气变换（RWGS）和甲烷二氧化碳重整（CRM）反应中的应用。图5A展示了使用Si-SiC泡沫作为加热元件和催化剂载体的反应器结构。图5B展示了输入功率与温度之间的关系，表明该反应器具有良好的焦耳加热性能。图5C展示了反应器轴向温度分布，表明温度在反应器底部达到最高值，并随后迅速下降。图5D和5E分别展示了CRM和RWGS反应的转化率随温度的变化趋势，表明焦耳加热可以实现高转化率和低能耗。
2. 焦耳加热在化学合成中的应用
氨合成/分解: 论文探讨了焦耳加热在氨合成/分解反应中的应用，例如图4所示的NiCrAl泡沫加热元件，以及图5所示的Si-SiC泡沫加热元件。焦耳加热可以实现快速加热和冷却，提高反应效率和选择性。
蒸汽甲烷重整 (SMR): 论文介绍了焦耳加热在SMR反应中的应用，例如图3所示的FeCrAl合金管加热元件，以及图5所示的Si-SiC泡沫加热元件。焦耳加热可以实现高效的加热和冷却，并提高催化剂的利用率和反应效率。
二氧化碳转化/还原: 论文探讨了焦耳加热在二氧化碳转化/还原反应中的应用，例如图5所示的Si-SiC泡沫加热元件。焦耳加热可以实现高转化率和低能耗，并促进CO2资源化利用。
图6：该图展示了采用闪蒸焦耳加热技术（Flash Joule Heating, FJH）对非晶碳和非晶碳与废弃聚乙烯的混合物进行处理，以制备闪蒸石墨烯（Flash Graphene, FG），该闪蒸石墨烯作为增强剂，用于提升环氧树脂和乙烯基酯树脂的力学性能。
图7A: 该图展示了闪速焦耳加热（FJH）法制备金属碳化物的过程示意图，并与传统合成方法进行了对比。在FJH过程中，金属或金属化合物前驱体与碳黑混合，并放置在石英管中。通过电容放电产生的高电压加热至高温，金属前驱体被蒸发并与碳反应生成金属碳化物。传统方法则需要将金属与碳源在高温下进行反应，或者使用气态碳源与金属反应，这会导致金属碳化物表面沉积碳黑，影响其性能。图7B: 该图展示了FJH过程中温度随时间的变化趋势，以及不同电压下达到的温度。FJH可以实现快速加热至高温，并在极短的时间内完成反应。图7C: 该图展示了金属前驱体和碳黑的蒸气压随温度的变化趋势。在FJH过程中，金属前驱体的蒸气压高于碳黑，这有利于金属碳化物的形成。
3. 焦耳加热在先进材料合成中的应用
石墨烯: 论文介绍了焦耳加热在石墨烯合成中的应用，例如图2B所示的FJH反应器，以及图6所示的FJH法制备的石墨烯。焦耳加热可以实现快速加热和冷却，并制备高质量石墨烯材料。
金属和金属氧化物: 论文介绍了焦耳加热在金属和金属氧化物合成中的应用，例如图7所示的FJH法制备的金属碳化物。焦耳加热可以实现快速加热和冷却，并制备高质量的纳米材料。
金属碳化物和其他材料: 论文介绍了焦耳加热在金属碳化物和其他材料合成中的应用，例如图7所示的FJH法制备的金属碳化物，以及图5所示的Si-SiC泡沫加热元件。焦耳加热可以实现快速加热和冷却，并制备高质量的纳米材料。
总结展望
焦耳加热作为一种高效、清洁的加热方式，在脱碳化化学和先进材料合成领域展现出巨大的潜力。然而，要实现其广泛应用，仍需克服一些挑战：
电力供应: 焦耳加热技术需要稳定的电力供应，而可再生能源的波动性需要开发能够适应能量供应变化的反应器。
反应器设计: 焦耳加热反应器需要针对不同反应进行优化设计，以提高加热效率和反应效率。
材料研发: 开发新型焦耳加热材料，以实现更高的温度输出和更低的能耗。
高压反应: 开发适用于高压反应的焦耳加热反应器，以适应工业生产需求。
技术经济性: 评估焦耳加热技术的经济性，并探索其与其他脱碳化技术的集成应用。
未来，随着可再生能源的普及和材料科学的不断发展，焦耳加热技术有望在化学工业脱碳化中发挥重要作用。通过深入研究焦耳加热的机理、优化反应器设计和开发新型焦耳加热材料，可以实现更高效、更清洁的化学合成和材料制备过程，为构建可持续发展的未来贡献力量。
文献信息：Design and Application of Joule Heating Processes for Decarbonized Chemical and Advanced Material Synthesis
Anthony Griffin;Mark Robertson;Zoe Gunter;Amy Coronado;Yizhi Xiang;Zhe Qiang
ISSN: 0888-5885 , 1520-5045; DOI: 10.1021/acs.iecr.4c02460
Industrial & engineering chemistry research. , 2024
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