近日，厦门大学田中群院士团队的AMR Viewpoint文章“Controllable Synthesis of Solid Catalysts by High-Temperature Pulse”在线发表。文章探讨总结了脉冲高温物理场的设计建构原理，及其在先进固体催化剂可控制备方面的研究进展，同时总结和展望了该领域的重要科学问题和未来发展方向。

关键词：脉冲高温合成，动力学主导，固体催化剂，可控制备，宏量化

材料科学发展的基础是不断创新材料制备方法，材料制备技术发展的关键在于对温度、时间、压强等核心参数协同调控能力的提升。

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文章内容简介

材料的结构或性质与高温热处理过程密切相关，因此通过对热驱动固-固或固-气反应过程中高温物理场的调控有望实现先进固体催化剂的可控制备。具体而言，通过不同热处理技术途径实现的从数百到数千开尔文（K）的温度窗口，对固体催化剂制备所涉及到的基本过程产生了至关重要的影响：如化学键的活化和转化，原子或分子的扩散与碰撞，纳米晶体的成核和生长。传统近平衡热处理方法的加热和冷却速率通常小于100 K/min，且热力学在材料生长过程中占据主导地位。与之相对比，迅猛发展的脉冲加热方法如激光加热、焦耳加热和微波加热等，通常具有超过1000 K/s快速的升/降温速率，这些脉冲加热方法能够为先进固体催化剂的制备提供动力学主导的、热力学非平衡环境。受益于脉冲加热方法的迅猛发展，研究者们在热力学亚稳态材料探索和高性能固体催化剂研制等方面取得了一系列重要进展。例如，这些高性能催化剂材料具有高负载量和超小尺寸、亚稳相结构、高熵组分、富缺陷结构等特点，在工业上重要的异相催化反应中具有重要应用前景。

图. 脉冲高温物理场的基本设计策略及其所制备产物的热力学特征。

近年来，脉冲高温合成方法的应用部署加速了固体催化剂材料的基础创新和技术进步。这与脉冲加热方法的三个明显特征密不可分，包括：（i）极端的高温热力学环境；（ii）超快的动力学环境；（iii）局部化的定向能量传递。第一个特征使得脉冲高温合成可以通过提高反应温度来提供足够的能量来跨越热力学势垒，进而驱动化学反应发生和制备出固体催化剂。第二个特征使得脉冲高温合成可以通过控制反应的路径和时间尺度来达到热力学亚稳态，进而实现动力学主导的先进固体催化剂可控制备。第三种特征使得脉冲高温合成方法具备通过节能减排进而实现可持续的先进固体催化剂材料生产的潜力。上述特征对于低成本和环境友好型先进固体催化剂的理性设计开发和工业化生产具有重要的吸引力。

尽管取得了显著的成就，但脉冲高温可控制备固体催化剂材料研究仍处于起步阶段。其中最具挑战性的难题之一就是如何从“能量-时间-空间”三个维度协同理性设计和定向构建可控高温脉冲物理场。通常而言，脉冲高温物理场具有超快的动力学特征和极端的高温热力学特征。例如，脉冲高温合成相较于传统慢速热处理过程发生在一个极短的时间尺度，通常是在秒甚至是亚毫秒时间尺度，且峰值温度常常可以较容易地突破3000 K甚至更高温区域。因此，高温脉冲的触发（如以电、微波、激光等为能量源）和随后的猝灭（如通过辐射、传导、对流）涉及复杂的能量转换、传递和耗散过程，特别是在微观尺度上脉冲高温过程的调控机制仍难以捉摸，从而阻碍了脉冲高温合成在材料科学中的充分应用与迭代进步。因此，理性设计和定向构建可控脉冲高温物理场构成了脉冲高温合成先进固体催化剂材料研究领域的基本科学策略和优先研究方向。

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AMR：请问您选择该领域的初心是什

么？

作者团队：

对于广大材料科学研究者，大家经常能听到或者看到的一句话是：材料是推动科学技术进步和人类文明发展的物质基础与先导。由此可见材料的重要性。纵观材料发展的关键历史节点，可以看出材料制备技术的发展历程就是由低温逐渐走向高温的过程。例如，在一万年前，人类学会使用篝火烧制陶器。后来，基于陶瓷等耐火材料所制作的火炉，人类学会约束燃烧反应，使得燃烧产生的热量在空间维度上可以更加集中地释放，火焰的温度达到1100 ℃，超过了铜、铅、锡等金属的熔点，人类至此开启了青铜器时代。再后来，人类学会将木柴烧成木炭，再加装鼓风机，使得燃烧反应更加剧烈，火焰温度可达到2000 ℃，超过了铁1538 ℃的熔点，人类开始进入钢铁时代。由上述案例可见，在材料制备过程中，温度是重要的调控参数。在步入近现代以来，越来越多的研究聚焦于探索新材料体系、以及如何突破现有材料的性能极限和功能制约。这时仅依赖单一的温度参数调控或是仅从热力学角度调控就不足以满足材料科学的发展需求，因此研究者们转而寻求引入新的调控维度——如时间参数，即在秒或者亚秒时间尺度创造脉冲高温物理场用于材料合成处理，这就产生了脉冲高温合成这一新兴研究方向。

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AMR：您认为该领域当前最值得关注

的研究热点是什么？

作者团队：

极端反应实验条件为制备新材料、发现新化学反应、揭示新的科学规律提供了更多的可能性。微波加热、焦耳加热、激光加热等技术能够提供超越3000 K局域瞬态超高温实验环境，可实现超越~105 K/s速率的急速升降温过程，为新材料的研究开辟了新的空间。近年来，上述技术在新型功能陶瓷、高质量石墨烯、高熵合金催化剂等多个领域取得了突破性重大进展。然而，瞬态超高温环境下化学反应和物相转变的热力学和动力学的理论与机制，与传统平衡态热力学和动力学理论与机制的区别尚不清楚，相关研究工作十分匮乏。使用脉冲高温制备超材料过程中通常伴随着多种物理场的存在，包括电场、磁场和光场，这些外场对于固体催化剂材料的生长过程存在何种程度的影响仍有待深入研究。因此十分有必要运用和发展快速的结构表征和理论模拟分析方法，从原子、分子尺度上探究瞬态高温环境下原子迁移扩散、化学键断裂与生成、物相转变的动力学机制，进而为未来理性控制脉冲超高温材料合成与处理提供理论与机制的依据。

作者团队简介

田中群院士，厦门大学化学系教授。1982年获厦门大学化学学士学位，1987年获英国南安普顿大学电化学博士学位后回厦门大学从事博士后研究，1992年评为教授。从实验上和理论上深入研究等离激元增强拉曼散射效应及其应用；发展谱学电化学的实验及理论研究方法；探索等离激元介导化学反应和脉冲高温合成化学新途径；针对可控分子组装体系，提出催组装新概念和研究方法等。迄今在Nature等刊物上发表论文770余篇，总被引45000余次。现任福建省能源材料科学与技术创新实验室创始主任，曾任国际电化学学会主席。先后当选为中国科学院院士和英国皇家化学会会士（2005）、国际电化学会会士（2010）、第三世界科学院院士（2014）。现为Chem. Soc. Rev.和中国科学-化学的副主编及Natl. Sci. Rev., JACS, Chem, Chem. Sci., Matter等十余个国际刊物的顾问编委。

课题组主页：

https://zqtian.xmu.edu.cn/

韩业创，2022年博士毕业于厦门大学（导师：田中群院士），现为嘉庚创新实验室博士后研究员（合作导师：田中群院士）。研究方向聚焦于脉冲高温合成化学及固体催化剂宏量化精准制备，以第一或通讯作者在Acc. Mater. Res.、Natl. Sci. Rev.、PNAS、Nano Energy等期刊发表论文8篇，申请发明专利6项，主持博士后面上基金1项。

曹沛雨，2023年本科毕业于湖北大学，现硕士就读于厦门大学化学化工学院（导师：田中群院士），研究方向为脉冲高温合成化学。

Controllable Synthesis of Solid Catalysts by High-Temperature Pulse

Ye-Chuang Han*, Pei-Yu Cao, and Zhong-Qun Tian

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00080

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