2024年7月13日-15日，第一届Green Carbon青年编委会化学方向研讨会暨“绿碳能源化学与过程”学术沙龙在青岛召开。湖南大学王双印教授应邀出席，并作题为“热电耦合催化”的特邀报告。
热电耦合催化
背景介绍
化石能源的过度使用会造成环境污染和能源危机等问题，热催化和电催化反应制备高附加值产品受到各界的广泛关注。在本次邀请报告中，王双印教授系统介绍了课题组开展的热电耦合催化反应。通过热催化反应过程解析发现了电催化耦合热催化反应过程，受此启发开发了系列温和高温体系热电耦合集成技术。利用电催化反应解决传统热催化反应速率慢、底物钝化催化剂、以及产物难分离等问题，同时也实现多种反应过程耦合，实现过程简化、多元高值产品开发、及过程节能降耗等优势。
王双印教授在“绿碳能源化学与过程”学术沙龙上作特邀报告
报告内容
01 电催化和热催化耦合过程的发现
催化过程在国民经济和生产生活中占据着越来越重要的位置。传统的Cu热催化醛产氢反应过程中有几个反常的现象：（1）催化剂用量决定了Cu催化醛产氢量，（2）碱性环境下去质子化的稀二醇是产氢的有效底物，（3）Cu催化剂表面会被底物钝化导致反应终止，（4）电催化氧化可去除Cu催化剂表面的钝化层，并且在阳极产氢。王双印教授课题组在对上述几个实验现象分析过程中，发现了热催化耦合电催化反应过程。
图1 电、热催化过程解耦
02 常温体系热电耦合催化集成
将Cu电催化醛阳极氧化产酸和产氢过程与阴极电催化产氢集成实现了颠覆性的双极产氢技术，通过电化学过程与热催化过程耦合，能耗由传统电解水产氢的4.89 KW/m² H₂降低至0.33 KW/m² H₂。此外，以醛为原料，利用这种热电耦合催化还实现了产氢、燃料电池发电以及化学品生产三个体系的耦合。
图2 常温体系热电耦合催化集成：产氢+发电+化学品增值
03 高温体系热电耦合催化集成
高温体系的燃料电池具有系统简单、可使用化工副产氢以及反应动力学快的特点。此外，高温质子交换膜燃料电池的工作温度可以匹配很多热催化反应，促进热催化和电催化的协同进行。王双印教授课题组通过热电耦合催化乙醇高效脱氢，利用热催化反应促进乙醇脱氢气，同时位于阳极的电催化剂将氢气还原为质子并通过质子交换膜传输到阴极实现产氢，极大的加速了乙醇脱氢反应速率，还提高了催化选择性。同样的，这个体系也可以应用于热电耦合甲醇制氢和水煤气变换产氢，通过热电耦合过程将热催化甲醇形成的氢气在阳极氧化成质子并通过质子交换膜传输到阴极还原成氢气，实现催化产物氢气与CO的分离。
图3 高温体系热电耦合催化集成：甲醇制氢气耦合氢气与CO分离
专家介绍
王双印 教授
王双印，国家杰出青年基金获得者（2018年、2024年延续）、科睿唯安全球高被引科学家（化学、材料）,科技部重点研发计划首席科学家（2021），基金委原创探索项目负责人（2022）。现为湖南大学二级教授，博士生导师。2006年本科毕业于浙江大学化工系，2010年在新加坡南洋理工大学获得博士学位，随后在美国凯斯西储大学， 德克萨斯大学奥斯汀分校、英国曼彻斯特大学（玛丽居里学者）开展研究工作。主要研究方向为电催化与电合成，主要研究成果：开辟了电催化剂缺陷化学方向，首次实现了CO₂与N₂的电催化偶联，首次实现了电化学双极产氢，首次构建了集成式热催化-电催化中温耦合体系。代表性论文发表在国家科学评论，中国科学，科学通报，Nature Chem., Nature Catalysis, JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Chem等期刊，总引用45000余次，H指数115，获中国青年科技奖、教育部青年科学奖、湖南省自然科学奖一等奖、中国侨届贡献一等奖、青山科技奖。
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