《Chemical Engineering Journal》：Electrifying catalysis: Joule heating-driven advanced materials for volatile organic compound oxidation
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焦耳热驱动催化氧化技术通过导电多孔材料实现原位电阻加热，显著提升VOCs处理效率，能耗降低超85%，响应时间缩短一个数量级，并揭示电场调控表面酸性和金属氧化态的非热催化机制。
Kumar Vikrant|Yongbiao Hua|Dimitrios A. Giannakoudakis|Quan-Doan Mai|Anh-Tuan Le|Manh-Huong Phan
材料创新与技术中心，VinUniversity，Vinhomes Ocean Park，Gia Lam，河内，100000，越南
摘要
焦耳热驱动的催化技术为高效去除挥发性有机化合物（VOCs）提供了一种变革性的方法。本综述对该领域进行了深入分析，其中导电单体既作为催化剂载体，又作为原位电阻加热器。这一策略实现了从效率低下、体积庞大的外部加热向紧凑反应器内快速、按需热控制的转变，显示出超过85%的节能效果，响应时间比传统方法快一个数量级。本文系统地研究了基于碳材料、金属合金和金属泡沫基底的催化剂系统，发现三维结构（如碳单体和镍泡沫）的性能远优于简单几何形状的催化剂。定量性能比较表明，最先进的系统仅需几瓦功率即可实现超过90%的VOC转化率。通过探讨其作用机制，本文阐明了外加电场如何作为非热促进因素：它增强了表面酸性，调节了活性金属的氧化还原状态，并提高了晶格氧的迁移率，从而在显著降低的温度下加速了Mars-van Krevelen反应路径。此外，本文还探讨了电辅助光热系统的前沿技术，其中光子和电子输入产生了强大的协同效应。综述最后指出了研究空白和未来发展方向。
引言
在全球范围内减轻空气污染的同时减少能源消耗和温室气体排放的任务，对化学和环境领域提出了严峻挑战[1]、[2]、[3]。催化氧化是去除挥发性有机化合物（VOCs）的关键技术，但其工业应用常常受到高能耗的限制[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。传统系统依赖外部炉子将大量工艺气体加热到所需的催化活化温度，这一过程效率低下，大部分热能散失到反应器外壳和周围环境中[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。对于处理稀释、大量体积的VOC流（这在许多工业和室内空气净化场景中很常见），这种高能耗的方案尤其不可持续。
一种颠覆性的解决方案是焦耳热驱动的催化技术[15]、[17]。这种创新方法将导电单体同时用作催化剂载体和精密电阻加热器[17]、[19]、[20]，通过直接通电使热量在催化界面处产生，从而实现高效、快速、按需的热控制[23]、[24]。研究表明，该技术可节省超过85%的能源，响应时间比传统系统快一个数量级以上，仅需几瓦功率即可完全矿化VOCs[21]、[22]。
焦耳热的作用不仅限于提高热效率。越来越多的研究表明，电场本身具有非热促进作用：它增强了表面酸性[21]，调节了活性金属的氧化还原状态[23]，并激活了关键的晶格氧（Olatt）物种[25]，从而在较低温度下加速催化反应[19]。本综述对该领域的前沿技术进行了深入分析，首先阐述了焦耳热的基本原理，然后系统地研究了从柔性碳织物[24]到坚固的金属泡沫[21]以及先进的混合材料[26]等各种催化剂系统。
通过探讨这一技术与传统热催化的区别及其性能和能源效率的定量比较，本文旨在总结迄今为止取得的进展。我们强调了基底结构在实现优异性能中的关键作用，并指出了从实验室创新向工业化应用过渡所面临的关键挑战和未来发展方向。最终，本文旨在提供这项具有潜力推动环境保护技术脱碳的全面概述和前瞻性视角。鉴于这是一个快速发展的子领域，本文旨在提供基础文献的批判性和及时分析，以总结进展并规划未来研究方向，而不仅仅是成熟技术的详尽总结。
焦耳热在催化VOC氧化中的基础原理
VOC的催化氧化是一个热激活过程，传统上依赖外部加热系统（如管式炉）提供所需能量[4]。这种传统方法采用间接的体积加热方式，热能通过对流和辐射传递到整个反应器、气体流，最终到达催化剂床层。尽管这种方法可行，但其效率低下，大量热能被浪费掉
用于焦耳热驱动VOC氧化的催化剂系统
焦耳热驱动催化系统的有效性与其导电单体型载体的结构和性质密切相关[17]、[22]、[31]。载体不仅需要为活性催化相提供稳定支撑，还需作为高效且可靠的电阻加热器[15]、[29]、[32]、[33]。为了系统地回顾这一领域的进展，本节根据最广泛研究的基底平台对催化剂进行了分类
机制洞察：不仅仅是热量
焦耳热驱动系统在VOC氧化中的优异性能不仅体现在更好的热管理和能源效率上。越来越多的证据表明，外加电流及其产生的电场不仅是被动的热源，还是催化过程中的积极参与者[14]、[44]、[45]。这些电效应可以根本改变催化剂的电子性质，影响关键氧物种的可用性和反应性
性能比较与能源效率分析
对催化剂性能进行定量比较对于识别现有技术水平并指导未来研究至关重要。然而，对于焦耳热系统而言，传统的指标（如T90（90% VOC转化温度）并不全面，因为它们仅能反映催化活性，未能体现该技术的主要优势——能源效率。为了提供更全面和相关的分析，我们提出了一个包含两个部分的性能评估框架
挑战、机遇与未来展望
焦耳热驱动的VOC氧化方法显示出巨大潜力，越来越多的研究证明了其在实验室条件下的高效率、快速热响应和显著的节能潜力。如前文所述，基于碳材料、金属合金和金属泡沫的单体型催化剂系统已取得显著进展。然而，将这些有前景的实验室概念转化为可工业化应用的技术仍面临挑战
结论
本综述总结了焦耳热驱动催化VOC氧化领域的快速进展，这项技术有望重塑空气污染控制的能源格局。使用导电单体同时作为催化剂载体和原位电阻加热器的核心原理，实现了从传统外部加热向高效、快速、按需热控制的转变
CRediT作者贡献声明
Kumar Vikrant：撰写——综述与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。Yongbiao Hua：撰写——综述与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、数据分析。Dimitrios A. Giannakoudakis：撰写——综述与编辑、初稿撰写
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了AI辅助技术来提升语言表达和可读性。具体使用了ChatGPT（OpenAI）和Google的大型语言模型进行语法校正、句子重构和风格优化。作者对所有AI生成的文本进行了审核和编辑，以确保内容的准确性和科学适用性。作者对出版物的所有内容负全责，包括任何潜在的错误
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系
致谢
本工作得到了VinUniversity的资助，资助编号为VINUNI.2526.CMIT.02。
