继2022年04月08日，胡良兵教授工作登上Science之后，2022年05月18日，胡教授又一成果登上了Nature，同时作为亮点文章，登上了同期Nature的封面！这已是其四年连发第9篇《Nature》 、 《Science》正刊，其中3篇《Science》封面、1篇《Nature》封面！！！
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由于缺乏对反应温度和时间以及反应途径的时间控制，传统的近平衡条件下连续加热的热化学合成，在提高合成速度、选择性、催化剂稳定性和能源效率等方面，面临着严峻的挑战。
在此，作为替代方案，来自美国特拉华大学的Dionisios G. Vlachos和马里兰大学的刘冬霞&胡良兵等研究者，提出了一种非平衡连续合成技术，该技术使用脉冲加热和淬火(例如，0.02 s开启，1.08 s关闭)，使用可编程电流快速切换高(例如，高达2400 K)和低温之间的反应。相关论文以题为“Programmable heating and quenching for efficient thermochemical synthesis”于2022年05月18日发表在Nature上。
热化学反应沿着特定的途径进行，受反应温度和时间的影响很大。特别地，根据阿伦尼乌斯定律，元素反应速率随温度呈指数关系，建立或改变化学平衡可以进一步影响产物分布。因此，动态调节加热剖面可用于控制反应途径，以获得目标产物的产率和选择性。
然而，传统的热化学反应，通常是在近平衡条件下通过连续加热进行的，尽管发展动态加热反应堆的努力已有很长的历史。这在一定程度上是因为传统的加热设备，表现出较差的传热和较大的热惯性，这使其难以实现对温度分布的时间控制，从而影响反应途径。以甲烷(CH4)热解为例，在相对温和的温度状态(< 1400 K)下，CH4选择性转化为增值产品被证明是极其重要的，但很难在持续加热下实现。化学平衡的约束，往往导致有限的选择性，低转化率或两者兼而有之。
为此，研究者报告了一种动态操作技术，该技术利用可编程加热和淬火(PHQ)进行热化学反应，获得了具有高选择性、高速率和低能源成本的增值产品。与在恒定温度下持续加热的传统稳态方法(例如图1a中的1,273 K)相比，基于焦耳加热的PHQ方法允许在短短几毫秒内在低温和高温之间快速切换(例如图1b中的650 K和2,000 K之间)，只需改变施加在碳加热器上的电流，就可以实现热化学合成。通过将多孔碳加热器直接与反应物接触以建立有效的传热，也可以实现这种加热剖面。这种设计使气相反应物的温度，和催化剂上吸附的表面物种的温度与碳加热器的温度曲线密切相关，使得人们能够精确地控制非平衡条件下的反应途径。
图1. PHQ方法与常规连续加热CH4热解模型反应的比较
快速淬火，确保了高选择性和良好的催化剂稳定性，以及降低平均温度，以降低能源成本。研究者使用CH4热解作为模型反应，研究者的可编程加热和淬火技术，可获得高选择性的C2产品(>75%，而传统的非催化方法<35%，而使用优化的催化剂的大多数传统方法<60%)。该技术可以扩展到一系列的热化学反应，如NH3合成，研究者在室温>100 h下，使用未优化的催化剂，获得了大约6000 μmol gFe−1 h−1的稳定和高的合成速率。本研究建立了一种新的高效非平衡热化学合成模型。
图2. PHQ技术的操作
图3. PHQ技术的实用性和优点的介绍
图4. 室温PHQ法合成NH3
扩大PHQ反应器的规模，依赖于增加碳加热器的尺寸，这需要多孔的，以允许气体分子在结构中扩散，同时，具有低总热容量，以便快速加热和冷却。商业材料，如碳毡和碳泡沫可以使用。特别设计和合成的碳材料，也是很有前途的候选者。例如，碳加热器可以是高度多孔的三维结构，并组装成阵列，用于大规模作业。在电能的驱动下，该技术还可以实现工艺强化和分布式化学制造，提高效率。
文献信息
Dong, Q., Yao, Y., Cheng, S. et al. Programmable heating and quenching for efficient thermochemical synthesis. Nature 605, 470–476 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04568-6
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04568-6
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