一、 核心應(yīng)用領(lǐng)域

先進(jìn)陶瓷材料制備?

氧化物陶瓷：如氧化鋁（Al?O?）、氧化鋯（ZrO?）、二氧化鈦（TiO?）、氧化鋅（ZnO）等。焦耳閃燒可在遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燒結(jié)溫度（低200-500°C）和極短時間內(nèi)（<10秒）實現(xiàn)致密化，獲得晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)異的陶瓷。

功能陶瓷：用于制備高性能壓電陶瓷（如PZT）、鐵電陶瓷、熱電材料（如Bi?Te?），保持其功能特性的同時提高致密度。

透明陶瓷：如激光增益介質(zhì)（YAG）、透明裝甲材料，快速燒結(jié)可減少氣孔和晶界雜質(zhì)，提高透光率。

硬質(zhì)合金與金屬陶瓷?

快速燒結(jié)碳化鎢（WC-Co）、氮化鈦（TiN）等硬質(zhì)合金，減少碳化物晶粒的生長，顯著提高材料的硬度、耐磨性和韌性。

金屬材料快速致密化?

難熔金屬：如鎢（W）、鉬（Mo）、鉭（Ta）等，傳統(tǒng)燒結(jié)溫度極高、時間長。焦耳閃燒可大幅降低能耗和時間，制備高密度、細(xì)晶粒的難熔金屬部件。

納米金屬：燒結(jié)納米金屬粉末壓坯，有效抑制納米晶粒在燒結(jié)過程中的長大，保留納米結(jié)構(gòu)帶來的高強度、高硬度。

復(fù)合材料與梯度功能材料?

用于陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、金屬基復(fù)合材料（MMC）的快速燒結(jié)，減少界面反應(yīng)，保持增強相（如碳纖維、SiC顆粒）的完整性。

可探索制備梯度功能材料（FGM），通過控制電流分布實現(xiàn)材料內(nèi)部的非均勻燒結(jié)。

能源材料?

固體氧化物燃料電池（SOFC）：快速燒結(jié)電解質(zhì)（如YSZ）和電極材料，降低制造成本，提高電池性能。

鋰離子電池電極材料：探索直接燒結(jié)電極漿料或預(yù)制體，簡化工藝。

熱電材料：制備高ZT值的熱電元件。

增材制造（3D打?。┖筇幚?/span>?

作為3D打印金屬/陶瓷部件的快速致密化手段，解決打印件孔隙率高的問題，提升力學(xué)性能。

基礎(chǔ)科學(xué)研究?

燒結(jié)機理研究：研究材料在極端非平衡條件下的燒結(jié)動力學(xué)、缺陷演化、相變過程。

新型材料開發(fā)：探索傳統(tǒng)方法無法制備的亞穩(wěn)相材料或特殊微觀結(jié)構(gòu)。

二、 技術(shù)優(yōu)勢驅(qū)動應(yīng)用

焦耳閃燒爐之所以能在上述領(lǐng)域得到應(yīng)用，源于其獨特技術(shù)優(yōu)勢：

極速加熱（103 - 10? °C/s）：避免長時間高溫暴露，抑制晶粒長大。

內(nèi)部加熱：熱量源于材料內(nèi)部，加熱效率高，能耗低。

低溫?zé)Y(jié)：燒結(jié)溫度顯著低于傳統(tǒng)方法，節(jié)能且可使用低成本設(shè)備。

超短周期：從室溫到燒結(jié)完成僅需數(shù)秒，生產(chǎn)效率極高。

高致密度與細(xì)晶粒：獲得“致密-細(xì)晶”的理想微觀結(jié)構(gòu)，性能超越傳統(tǒng)燒結(jié)材料。

焦耳熱沖擊非平衡合成金屬單原子催化劑——從原子錨定到工業(yè)級構(gòu)筑

隨著全球能源結(jié)構(gòu)加速向“碳達(dá)峰、碳中和”轉(zhuǎn)型，開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性、低成本的催化與儲能材料成為當(dāng)務(wù)之急。金屬單原子催化劑（SACs）憑借100 %原子利用率、獨特的電子結(jié)構(gòu)及量子尺寸效應(yīng)，在電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化（鋅-空氣電池、電解水）、環(huán)境凈化（CO 氧化、VOCs 降解）、電磁防護(hù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)高溫煅燒、原子層沉積（ALD）、物理氣相沉積（PVD）等合成方法存在設(shè)備復(fù)雜、負(fù)載量低、成本高、難以規(guī)?；绕款i。焦耳加熱（Joule Heating, JH）技術(shù)以毫秒級超高溫（>3500 K）沖擊、極速冷卻（>10? K s?1）為特征，為非平衡態(tài)單原子合成提供了革命性途徑，有望突破上述技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)從“克級”到“噸級”的跨越。

近日，臺州學(xué)院王家成教授團(tuán)隊系統(tǒng)梳理了焦耳加熱在金屬單原子材料制備中的理論機制、裝置分類、工藝參數(shù)及多元應(yīng)用。文章首次從“理論-設(shè)備-材料-功能”四維視角，全面總結(jié)了JH合成貴金屬（Pt、Pd、Ru）和非貴金屬（Fe、Co、Ni、Cu、Zn）SACs的最新進(jìn)展；通過與傳統(tǒng)方法對比，凸顯JH在原子分散效率、負(fù)載量、產(chǎn)率及可控性上的顯著優(yōu)勢；并展望了規(guī)?；疪oll-to-Roll制造、多金屬單原子體系構(gòu)建、機器學(xué)習(xí)輔助快速篩選等未來方向，為JH-SACs走向工業(yè)化提供了路線圖。

該成果以“Rapid Joule Heating Synthesis of Metal Single-Atom Materials: Theory, Devices Construction, and Functional Applications”為題發(fā)表在《Inorganic Chemistry Frontiers》期刊。

【工作要點】

1. 焦耳加熱的核心理論

焦耳加熱合成金屬單原子材料的理論核心在于毫秒級非平衡熱力學(xué)與強金屬-載體相互作用的協(xié)同：當(dāng)電流脈沖在<2 s內(nèi)將體系推至1500–3500 K時，金屬鹽瞬時裂解為原子蒸汽，超快升溫（>10? K s?1）及隨后的極速冷卻（>10? K s?1）抑制了經(jīng)典成核-長大路徑；與此同時，冷卻階段原子動能驟降至不足以擴散團(tuán)聚，被載體表面缺陷或含氧/氮官能團(tuán)以>4 eV的M–C或M–N鍵能捕獲，形成穩(wěn)定單原子位點，實現(xiàn)原子級分散與催化活性的同步最大化。

2. 反應(yīng)器設(shè)計的創(chuàng)新

1）平板式設(shè)備：

直接加熱 ：導(dǎo)電載體（碳紙、石墨烯）通電流產(chǎn)生高溫（圖3b(1)），適用于高導(dǎo)電材料。

間接加熱 ：非導(dǎo)電樣品置于導(dǎo)電基板上，通過熱傳導(dǎo)加熱（圖3b(2)），拓展了載體選擇范圍。

2）管式設(shè)備：

單管設(shè)計 ：導(dǎo)電粉末（如碳）填充石英管，實現(xiàn)克級量產(chǎn)（圖3c）。

雙管設(shè)計 （FWF系統(tǒng)） ：外管焦耳加熱內(nèi)管揮發(fā)物（如硫、硒），適用于氣固反應(yīng)（圖3d）。

3. 金屬單原子的可控合成

1）貴金屬（Pt, Pd）：

Pt 單原子 ：1500 K脈沖加熱（55 ms升溫/550 ms冷卻×10次）在碳載體上實現(xiàn)0.24 wt.%負(fù)載（圖5a）。

Pd /CeO? ：1273 K脈沖加熱（0.5 s×6次）形成不飽和Pd-O*活性位，甲烷燃燒活性提升20倍（圖5c）。

2）非貴金屬（Co, Fe）：

Co-N-C位點 ：多孔石墨烯載體經(jīng)2秒JH處理，Co負(fù)載量0.81 wt.%，析氫反應(yīng)（HER）塔菲爾斜率低至66 mV/dec（圖6b）。

Fe-N?位點 ：缺陷碳球載體在1473 K下合成，氧還原反應(yīng)（ORR）性能媲美Pt/C（圖7a）。

4. JH vs. 傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢

5. 功能應(yīng)用突破

1）新能源領(lǐng)域：Fe-N?位點催化劑組裝的鋅空電池，循環(huán)1100小時后電壓間隙僅0.92 V（圖7a(6)）。

2）清潔燃料：Co單原子電極（CoNG-JH）在HER中保持48小時穩(wěn)定性（過電勢僅增10 mV）（圖7b(6)）。

3）環(huán)境治理：Pt?/CeO?催化劑在423 K實現(xiàn)CO全轉(zhuǎn)化，能耗降低87%（圖8a(5)）。

4）電磁波吸收：Co單原子/碳復(fù)合材料（Co/C-600）通過界面極化實現(xiàn)C-X-Ku波段寬頻吸收（圖8b(6)）。

6. 機器學(xué)習(xí)加速優(yōu)化

提出建立**載體-前驅(qū)體-加熱參數(shù)數(shù)據(jù)庫**，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測單原子負(fù)載效率（圖7g），實現(xiàn)工藝自動篩選。

圖1：焦耳加熱制備金屬單原子材料的綜合示意圖

圖2：焦耳加熱技術(shù)發(fā)展歷程時間軸

圖3：焦耳加熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類與原理示意

圖4：典型金屬單原子材料的焦耳加熱參數(shù)匯總

圖5：貴金屬單原子焦耳加熱合成實例

圖6：非貴金屬單原子焦耳加熱合成策略

圖7：焦耳加熱單原子材料在新能源與環(huán)境中的典型應(yīng)用

【結(jié)論】

焦耳加熱技術(shù)以“超快、高效、可控、綠色”的核心優(yōu)勢，成為金屬單原子材料規(guī)?；苽涞淖罹邼摿β肪€之一。未來研究需聚焦：

① 開發(fā)新型耐高溫、富缺陷載體，實現(xiàn)多金屬單原子均勻共錨定；

② 耦合機器學(xué)習(xí)與高通量實驗，建立“載體-前驅(qū)體-參數(shù)-性能”大數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能快速優(yōu)化；

③ 借鑒高熵材料Roll-to-Roll工藝，推進(jìn)JH-SACs從實驗室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

該綜述為能源、環(huán)境、信息等多領(lǐng)域的高性能單原子材料設(shè)計提供了系統(tǒng)指南，將有力加速碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。