Nature | 胡良兵发表甲烷转化及合成氨领域新成果

美国马里兰大学胡良兵（中国科大9702）课题组在电致非平衡态化学品合成领域取得系列突破。

胡良兵课题组基于电致焦耳加热技术，开创了一种可编译、脉冲式、非平衡态热化学反应的模式并将其应用于如碳氢化合物、氨气等重要的工业化学品合成中，实现了在极大程度上节能、降耗、减排的工作状态下，获得高目标产物选择性、高反应速率和催化剂的高稳定性等效果。相关成果以“Programmable heating and quenching for efficient thermochemical synthesis”为题在线发表于Nature (18 May 2022)。

热化学反应在传统化工行业中具有重要的地位。传统热化学反应一般采用恒温加热的方式，其反应所需能量多由燃烧化石燃料或煤炭来提供。除环境污染和碳排放等问题外，在恒温加热的过程中，化学反应通常会向着化学平衡态即稳态发展，这使得人们对产物选择性的调控能力大大受限，以致于过度依赖催化剂来提高反应速率、选择性以及转化率。同时，对于高性能纳米级分散的催化剂而言，恒温加热还容易导致催化剂的团聚失活。

针对这一系列问题，胡良兵课题组开发了一种可编译的快速升降温反应模式（programmable heating and quenching，PHQ；图1A）。这种反应模式是利用轻质多孔且导电的碳材料作为焦耳加热的热源，通过交替进行脉冲式电击生热和断电骤冷来进行化学品合成。作者首先将这一突破传统的反应模式应用到甲烷裂解反应中，通过对热源施加每秒一次、每次仅几十毫秒的电脉冲，实现了对反应物温度在600K和2000K左右的快速切换，进而可使化学反应在远离平衡的状态下进行（图1B）。由于短暂的加热时间和快速的降温，甲烷裂解反应被“冷冻”在链式反应的最初阶段，从而在未加入任何催化剂的情况下便产生了超过75%的高附加值产物。这一性能即便与传统有催化剂协助的甲烷裂解反应相比（相同产物选择性多低于60%），也具有相当大的优势（图1C，D）。此外，PHQ可以在同等甲烷转化率的条件下，相比传统恒温加热方式降低多达80%的能耗，并通过采用清洁电能进行加热的方式，真正意义上实现了节能减排的效果。

胡良兵课题组研发的一种可编译、脉冲式、非平衡态电致化学反应方法，以用于高能效、高选择性的化学品合成。（A）PHQ装置原理图；（B）PHQ工作中特征温度曲线示意图；采用PHQ所获得的目标产物选择性与传统非催化甲烷裂解反应（C）及催化剂辅助甲烷裂解反应（D）的对比。Nature, 2022, May 18

胡良兵课题组进而将PHQ引入到催化反应中。以通过氢气和氮气来进行的合成氨为例，作者展示了采用PHQ配合未经任何优化的廉价纳米铁颗粒催化剂来常压、快速、高效的制备氨气，其产率可高达6000 μmol/g/h并能稳定维持100小时以上。可以预见，该电致非平衡态化学反应方法还适用于碳氢化合物的加氢、脱氢反应、二氧化碳氢化、氮氧化物转化等反应中，具有非常广泛的普适性。

该研究由马里兰大学胡良兵教授、刘昸霞教授，特拉华大学Dionisios G. Vlachos教授，普林斯顿大学琚诒光教授，以及约翰斯霍普金斯大学Ioannis G. Kevrekidis教授合作完成。

胡良兵（中国科大9702）

胡良兵，美国马里兰大学Herbert Rabin杰出讲席教授，材料创新中心主任（Center for Materials Innovation），1997-2002中国科技大学物理学士学位，已在Nature、Science、Nature Materials等顶级英文期刊上发表学术论文400余篇，被引用超过74,000次。他主要从事木材纳米科技，极高温合成，全固态电池，柔性器件等，是HighT-Tech LLC (www.hight-tech.com)和InventWood LLC (www.inventwood.com) 公司的创始人。

胡良兵教授代表作包括：

1.Processing bulk natural wood into a high-performance structural material, Nature, 2018.

2.Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles, Science, 2018. (Cover)

3.A radiative cooling structural material, Science, 2019.

4.A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds, Science, 2020. (Cover)

5.Developing fibrillated cellulose as a sustainable technological material, Nature, 2021.

6.Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material, Science, 2021. (Cover)

7.Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries, Nature, 2021.

8.Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid, Nature, 2021.

9.High-entropy nanoparticles: Synthesis-structure-property relationships and data-driven discovery, Science, 2022.

10.Programmable heating and quenching for efficient thermochemical synthesis, Nature, 2022. (Cover)

2022-05-19