期刊 | Advanced Synthesis & Catalysis（Wiley，催化领域知名期刊） |
发表日期 | 2026年4月27日 |
通讯作者 | 李金阳，西南交通大学化学学院 & 宜宾研究院 |
关键词 | #碳纳米纤维、#电催化、#静电纺丝、#焦耳热、#非平衡合成 |
核心导读：传统固相合成催化剂受热力学平衡约束，活性纳米颗粒易烧结团聚；超快焦耳热虽能突破这一瓶颈，却在粉末前驱体中面临电热不均问题。本综述提出将静电纺丝与超快焦耳热协同集成，以连续碳纳米纤维网络作为"工程化前驱体平台"，从根本上解决电热异质性，实现缺陷碳、高负载单原子催化剂、高熵纳米合金等非平衡催化剂的原位一步合成，为绿色氢能与碳中和提供新路径。
一、为什么需要"非平衡合成"——催化剂制备的核心矛盾
电催化连接着可再生电力与化学燃料，直接决定绿色氢能和碳中和的经济可行性。然而，催化剂的合成方式长期以来构成了性能提升的核心瓶颈。
传统固相合成方法——如马弗炉煅烧——依赖热力学平衡。漫长的加热过程使材料系统充分弛豫到热力学稳定态，其代价是：活性纳米颗粒发生烧结与团聚，高能晶面消失，催化活性大幅衰减。这是多年来困扰电催化材料研究的"慢性病"。
"传统固相合成使材料系统趋向热力学稳定构型，导致高活性纳米颗粒烧结团聚，高能晶面消失。"
——原文第1页，Introduction
超快焦耳热（Ultrafast Joule Heating）技术提供了突破热力学陷阱的动力学路径。其核心原理是：热量Q = ∫I²R dt，通过短时（<10秒）、高强度脉冲电流，在毫秒内将材料加热至极端温度（>2000 K），随后以超过10⁵ K/s的速率急冷淬火。这种极端非平衡热力学环境能够动力学捕获亚稳高活性结构，同时精确调控电子能带结构以优化反应动力学。
焦耳热的动力学优势：毫秒级升温 + 10⁵ K/s 急冷淬火，动力学"冻结"亚稳高活性相，打破热力学限制，解锁传统方法无法获得的催化剂结构。
然而，当超快焦耳热直接应用于粉末前驱体时，出现了新的瓶颈——电热异质性（Electro-thermal Heterogeneity）。松散粉末颗粒间随机点接触导致界面电阻不确定，电流集中于纳米接触节点，产生弧放电和局部热失控，温度分布严重不均，最终导致产品一致性极差，无法精确控制合成目标。
这正是本综述所要正面回应的核心科学问题：如何为超快焦耳热提供一个理想的、均匀传热的前驱体平台？
二、协同策略的精髓——以静电纺丝"重构"前驱体
论文的核心答案是：以静电纺丝制备的连续碳纳米纤维网络作为工程化前驱体平台，将超快焦耳热的潜力完整释放。这不是两种技术的简单叠加，而是一种深刻的协同工程策略——前驱体从被动载体升级为主动的、经过精确设计的能量传递平台。
2.1 解决电热异质性：构建连续导电网络
静电纺丝技术将聚丙烯腈（PAN）等导电聚合物制成宏观三维互联纤维网络。经预碳化处理后，纤维演变为连续整体导电骨架——电阻沿纤维均匀分布，而非依赖不稳定的随机点接触。这一连续网络保证电流均匀穿透整个材料体系，实现高效率、高均匀性的体积加热，从根本上消除了粉末焦耳热中的电热异质性难题。
2.2 抑制团聚：一维纳米反应器的空间限域效应
在纺丝溶液配制阶段，活性催化组分（金属盐）与聚合物（PAN）在溶液中实现分子级均匀混合。纺丝过程中，溶剂在毫秒内快速蒸发，将金属前驱体以分子/离子态动力学捕获并固定在聚合物基质中，从源头阻止了干燥过程中的结晶与团聚。
一维纳米反应器效应：每根纳米纤维是一个独立的一维纳米反应器。在后续焦耳热处理中，纤维结构将碳化、还原、合金化等复杂化学变换严格限制在纳米尺度一维空间内，大幅增加原子长程扩散的势垒和路径曲折性，从物理上根本抑制热力学驱动的团聚行为。
2.3 高比表面积与分级多孔结构
静电纺丝纤维毡天然具备超高孔隙率（通常超过90%）和巨大比表面积。纤维堆叠形成的微米级大孔构建低曲折度的传质网络，加速电解质渗透和气体产物（H₂、O₂）脱附，有效缓解高电流密度下气泡积累对活性位点的屏蔽效应。而纳米纤维本身的巨大比表面积则保障催化活性位点的最大暴露，确保反应物高效接触。
2.4 与其他合成方法的比较
表1：不同电催化剂合成方法的比较
三、协同平台的应用成果——三类非平衡催化剂的精准合成
协同平台的真正价值在于其普适性——能够系统性地针对不同类别高性能催化剂的独特合成挑战，提供定制化的动力学控制解决方案。
3.1 缺陷工程碳纤维：杂原子掺杂的动力学捕获
对于无金属碳基电催化剂，碳晶格拓扑缺陷与杂原子掺杂（化学缺陷）的协同调控是性能提升的关键。传统平衡煅烧方法面临的根本困境是：高温下大多数非金属掺杂前驱体（P、S、B、I等）高度挥发，脱附/升华速率远超与碳骨架的化学成键动力学，导致掺杂效率极低且不可控。
静电纺丝与焦耳热的协同策略提供了理想解法：毫秒级超快加热在挥发性杂原子大量逸出之前完成碳化与晶格重构，动力学捕获热力学不稳定的掺杂结构。
实验验证：以制备选择性合成H₂O₂的碘-氮共掺杂碳纤维为例——
与传统管式炉煅烧（需>2小时）相比，焦耳热协同策略仅用<8秒完成合成，碘掺杂含量提升38.9倍，H₂O₂选择性高达99%，合成时间缩短4个数量级。
3.2 纳米纤维负载原子级分散催化剂：高负载单原子催化剂的稳定化
单原子催化剂（SAC）以极致的原子利用效率引发广泛关注，但其合成的根本瓶颈在于克服高温下原子迁移和团聚的巨大热力学驱动力。当目标是实用化所必需的高负载单原子催化剂（HLSACs，>1 wt%）时，挑战尤为严峻。
协同平台通过两重机制保障高负载单原子的稳定：首先，纳米纤维内前驱体的原子级分散加上一维限域效应，动力学抑制原子的长程迁移；其次，在焦耳热冲击过程中，碳载体原位生成的丰富缺陷位点（氮配位位点、边缘缺陷）为金属原子提供强化学锚定位，在热力学上稳定单原子。
延伸至双原子催化剂（DAC）：通过在纺丝溶液中分子级混合两种金属前驱体，超快焦耳热可有效冻结原子级近邻状态，原位构建具有特定配位环境的异核双原子位点，为复杂多步催化反应提供优化反应路径。
3.3 高熵纳米合金：纳米尺度高熵悖论的破解之道
高熵材料（HEA）凭借独特的"鸡尾酒效应"在催化领域展现出巨大潜力，但纳米尺度合成面临纳米高熵悖论——高熵稳定化是依赖组态熵贡献的体相热力学现象，而在纳米尺度，巨大的表面能效应显著加剧成分元素的相分离倾向，使传统热力学方法极难合成相纯纳米高熵合金。
协同策略是破解这一悖论的理想方案：静电纺丝实现多元前驱体在纳米纤维中的原子级均匀混合，超快热冲击的动力学捕获效应在表面能驱动的相分离发生前将高熵固溶相有效冻结。
代表性成果：对负载多种金属盐的碳纳米纤维施加~2000 K、约55 ms的碳热冲击，可成功合成含8种元素的单相高熵合金纳米颗粒（HEA-NPs）。以五元 PtPdRhRuCe 为例，氨氧化反应中实现~100%转化率和>99%氮氧化物选择性（700°C，连续运行30小时无衰减）。
3.4 延伸至非碳架构：金属碳化物与氧化物
协同平台的通用性不止于碳基材料。在碱性海水电解或酸性析氧等苛刻环境中，碳腐蚀是制约性能的关键因素，此时需要延伸至非碳纳米材料。代表性案例：在静电纺丝制备的TiC纳米纤维上分散Ru纳米颗粒，超快焦耳热触发的强烈电子金属-载体相互作用（EMSI）显著加速析氢动力学，在碱性海水HER中仅需65 mV过电位（100 mA cm⁻²），稳定运行超过250小时；以电纺碳纳米纤维为牺牲模板合成富晶界缺陷的金红石型IrO₂纳米颗粒，在酸性OER中过电位仅246 mV（10 mA cm⁻²），200小时连续运行电位增量仅11.8 mV。
表2：协同平台代表性先进电催化剂及性能汇总
四、坦诚的自我审视——三大挑战与前沿突破路径
作者并未回避协同策略面临的深层挑战，而是以严谨的态度逐一剖析，并指出可行的破解路径。这种"问题导向"的叙事结构，正是高质量综述的重要标志。
【挑战一】前驱体碳化的深层矛盾
焦耳热本身代表超快高效，但最普遍的PAN基纳米纤维前驱体的碳化却需要数小时高温管式炉处理，严重损耗整体流程效率。根因在于PAN直接高温热解会引发严重链断裂，无法形成连续石墨碳骨架。
突破方向：探索可直接焦耳热碳化的高性能聚合物纤维，如聚酰亚胺（PI，分解温度>500°C）和聚苯并咪唑（PBI，刚性芳香杂环骨架），直接跳过预碳化步骤。
【挑战二】规模化与均匀性挑战
纺丝过程的随机性导致纤维毡在宏观尺度存在密度和厚度的微观不均匀性。小尺寸样品可忽略，但放大到工业生产所需米级宽度时，微小电阻差异被急剧放大，形成局部热点，阻碍可靠大规模生产。
突破方向：2025年Du等人报道了首套卷对卷闪速焦耳热系统（R2R-FJH），成功在米级镍泡沫基底上连续加载和热处理催化剂，电解槽运行电压仅1.66 V（0.5 A cm⁻²），稳定性超过800小时，标志着工程化可行性的范式转变。
【挑战三】原位表征的"黑箱"问题
毫秒级时间尺度内发生的复杂物理化学变换令传统非原位表征手段无从捕捉，成核、晶体生长、相变等关键动力学过程机制认知至今仍以理论推测为主。
突破方向：动态透射电子显微镜（D-TEM）原子级可视化；时间分辨同步辐射X射线衍射（TR-XRD）追踪亚秒级相变；TR-XAS + 机器学习提取结构指纹；X射线自由电子激光（XFEL）实现飞秒级化学键重组的直接观测。
4.4 AI辅助高通量筛选：从试错到"按设计发现"
高熵合金（HEA）庞大的成分设计空间令传统试错筛选极其低效。近期研究将大型语言模型（LLM）与遗传算法（GA）结合，LLM系统挖掘海量文献识别关键HER活性元素，GA与超快高温热冲击协同进行迭代优化。
典型成果：AI驱动的计算预测与高通量物理合成无缝集成，将催化剂发现时间从理论上的"千年"压缩至数小时，仅需4轮迭代便成功识别最优 IrCuNiPdPt/C 催化剂。
展望未来，AI算法将在1D纳米纤维几何约束的高熵合金庞大成分空间中进行导航，结合机器人化静电纺丝、超快热淬、快速电化学筛选的自动化闭环工作流，有望从根本上实现高性能非平衡催化剂的"设计驱动发现"。
五、未来展望：通向工业化的关键突破口
1. 新型前驱体开发：系统评估PI、PBI等高性能聚合物的可纺性、碳化特性及焦耳热响应，摆脱对PAN的路径依赖，真正实现全流程超快合成。
2. 连续化制造工程：基于R2R-FJH系统的工程参数优化，解决大面积加热均匀性问题，探索动态辊接触式电流注入与均匀温场调控方案。
3. 原位动态表征体系：在焦耳热设备中集成同步辐射光源接口，构建"合成-表征"一体化平台，从机制层面阐明非平衡结构的形成动力学。
4. AI-材料闭环：以1D纳米纤维结构描述符丰富数据驱动模型，建立自动化闭环研究范式，加速多电子转移复杂反应用高性能催化剂的发现。
5. 扩展应用场景：从水分解（HER/OER）和CO₂还原扩展至氮还原、有机电合成等高价值多电子反应；从电催化延伸到热催化、光电催化等广泛领域。
六、综述解读：这篇论文凭什么值得关注？
学术价值评析
本综述的核心贡献不在于展示某一具体材料的优异性能，而在于系统性地提出并论证了一种新的材料合成哲学：将前驱体从被动载体重新定义为主动的工程化能量传递平台。
与此前同类工作相比，本文首次从"结构-活性关系"、"结构调控原理"、"催化剂形成规律"三条主线，对静电纺丝-焦耳热协同体系进行综合分析，填补了领域内系统性综述的空白。
更值得关注的是作者对挑战的坦诚剖析：PAN碳化矛盾、规模化热点问题、原位表征黑箱——这种"提出问题比给出答案更重要"的学术气质，正是顶级综述所应有的高度。
对于从事焦耳热/超快热冲击设备研发与应用的机构而言，本综述具有重要的技术参考价值：
从设备角度看，当前焦耳热装置对前驱体形态具有强依赖性，碳化连续纤维膜的兴起意味着焦耳热装置需要适配薄膜/纤维毡样品的夹持方案，并对短脉冲时间（毫秒至秒量级）进行精确控制。卷对卷（R2R）系统的出现更预示着焦耳热设备将向连续化、工程化方向迭代。
从应用角度看，高熵合金催化剂、单原子催化剂的需求将持续推动精准可控的脉冲焦耳热系统的市场需求，这既是技术机遇，也是装备研发方向的重要信号。
结语
西南交通大学李金阳课题组的这篇综述，以"前驱体工程"为核心视角，系统阐明了静电纺丝与超快焦耳热协同效应背后的物理本质，构建了从连续导电网络搭建，到一维限域效应发挥，再到极端非平衡条件下精准合成非平衡催化剂的完整逻辑链。
合成方法的革新从来是催化材料性能突破的先导。当"热力学陷阱"被动力学捕获打破，当前驱体从被动载体成为主动平台，一个属于非平衡合成的新时代正在开启。
"通过动力学控制先进材料合成与功能电极构筑这一聚焦点，可被视为一种全新视角，以规避传统催化剂的性能挑战。"
——原文结论，Section 5
原文信息：Yufan Zeng, Lei Kuang, Yuqi Song, et al. "Recent Progress and Perspective on Synergistic Electrospinning and Joule Heating for Advanced Electrocatalyst Design."Advanced Synthesis & Catalysis, 2026, e70477. DOI: 10.1002/adsc.70477
