一、 核心應用領域

先進陶瓷材料制備?

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。焦耳閃燒可在遠低于傳統燒結溫度（低200-500°C）和極短時間內（<10秒）實現致密化，獲得晶粒細小、力學性能優異的陶瓷。

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（YAG）、透明裝甲材料，快速燒結可減少氣孔和晶界雜質，提高透光率。

硬質合金與金屬陶瓷?

快速燒結碳化鎢（WC-Co）、氮化鈦（TiN）等硬質合金，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，傳統燒結溫度極高、時間長。焦耳閃燒可大幅降低能耗和時間，制備高密度、細晶粒的難熔金屬部件。

納米金屬：燒結納米金屬粉末壓坯，有效抑制納米晶粒在燒結過程中的長大，保留納米結構帶來的高強度、高硬度。

復合材料與梯度功能材料?

用于陶瓷基復合材料（CMC）、金屬基復合材料（MMC）的快速燒結，減少界面反應，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材料內部的非均勻燒結。

能源材料?

固體氧化物燃料電池（SOFC）：快速燒結電解質（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：探索直接燒結電極漿料或預制體，簡化工藝。

熱電材料：制備高ZT值的熱電元件。

增材制造（3D打印）后處理?

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，提升力學性能。

基礎科學研究?

燒結機理研究：研究材料在極端非平衡條件下的燒結動力學、缺陷演化、相變過程。

新型材料開發：探索傳統方法無法制備的亞穩相材料或特殊微觀結構。

二、 技術優勢驅動應用

焦耳閃燒爐之所以能在上述領域得到應用，源于其獨特技術優勢：

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

內部加熱：熱量源于材料內部，加熱效率高，能耗低。

低溫燒結：燒結溫度顯著低于傳統方法，節能且可使用低成本設備。

超短周期：從室溫到燒結完成僅需數秒，生產效率極高。

高致密度與細晶粒：獲得“致密-細晶”的理想微觀結構，性能超越傳統燒結材料。

焦耳熱沖擊非平衡合成金屬單原子催化劑——從原子錨定到工業級構筑

隨著全球能源結構加速向“碳達峰、碳中和”轉型，開發高活性、高穩定性、低成本的催化與儲能材料成為當務之急。金屬單原子催化劑（SACs）憑借100 %原子利用率、獨特的電子結構及量子尺寸效應，在電化學能源轉化（鋅-空氣電池、電解水）、環境凈化（CO 氧化、VOCs 降解）、電磁防護等領域展現出巨大潛力。然而，傳統高溫煅燒、原子層沉積（ALD）、物理氣相沉積（PVD）等合成方法存在設備復雜、負載量低、成本高、難以規模化等瓶頸。焦耳加熱（Joule Heating, JH）技術以毫秒級超高溫（>3500 K）沖擊、極速冷卻（>10? K s?1）為特征，為非平衡態單原子合成提供了革命性途徑，有望突破上述技術瓶頸，實現從“克級”到“噸級”的跨越。

近日，臺州學院王家成教授團隊系統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、工藝參數及多元應用。文章首次從“理論-設備-材料-功能”四維視角，全面總結了JH合成貴金屬（Pt、Pd、Ru）和非貴金屬（Fe、Co、Ni、Cu、Zn）SACs的最新進展；通過與傳統方法對比，凸顯JH在原子分散效率、負載量、產率及可控性上的顯著優勢；并展望了規模化Roll-to-Roll制造、多金屬單原子體系構建、機器學習輔助快速篩選等未來方向，為JH-SACs走向工業化提供了路線圖。

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與強金屬-載體相互作用的協同：當電流脈沖在<2 s內將體系推至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聚，被載體表面缺陷或含氧/氮官能團以>4 eV的M–C或M–N鍵能捕獲，形成穩定單原子位點，實現原子級分散與催化活性的同步最大化。

2. 反應器設計的創新

1）平板式設備：

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

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

2）管式設備：

單管設計 ：導電粉末（如碳）填充石英管，實現克級量產（圖3c）。

雙管設計 （FWF系統） ：外管焦耳加熱內管揮發物（如硫、硒），適用于氣固反應（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0.24 wt.%負載（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2秒JH處理，Co負載量0.81 wt.%，析氫反應（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（ORR）性能媲美Pt/C（圖7a）。

4. JH vs. 傳統方法的優勢

5. 功能應用突破

1）新能源領域：Fe-N?位點催化劑組裝的鋅空電池，循環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小時穩定性（過電勢僅增10 mV）（圖7b(6)）。

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

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

6. 機器學習加速優化

提出建立**載體-前驅體-加熱參數數據庫**，結合神經網絡預測單原子負載效率（圖7g），實現工藝自動篩選。

圖1：焦耳加熱制備金屬單原子材料的綜合示意圖

圖2：焦耳加熱技術發展歷程時間軸

圖3：焦耳加熱反應器結構分類與原理示意

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境中的典型應用

【結論】

焦耳加熱技術以“超快、高效、可控、綠色”的核心優勢，成為金屬單原子材料規模化制備的最具潛力路線之一。未來研究需聚焦：

① 開發新型耐高溫、富缺陷載體，實現多金屬單原子均勻共錨定；

② 耦合機器學習與高通量實驗，建立“載體-前驅體-參數-性能”大數據庫，實現智能快速優化；

③ 借鑒高熵材料Roll-to-Roll工藝，推進JH-SACs從實驗室走向產業應用。

該綜述為能源、環境、信息等多領域的高性能單原子材料設計提供了系統指南，將有力加速碳中和目標的實現。