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1. 背景

C1 分子催化转化涵盖 CO、CO2、CH4、CH3OH 和 CH2O 等小分子的活化与利用，是煤化工、天然气化工、CO2 资源化和碳中和技术的重要交汇点。传统热催化通常依赖炉式外部加热或燃料燃烧供热，存在传热链条长、床层温度梯度大、能耗高、热冲击诱发失活和低品位余热难回收等问题。随着可再生电力成本下降，利用电流在导电催化剂内部原位产热的焦耳热催化，为 C1 反应提供了从“外部供热”转向“催化位点内生热”的新路径。

2. 论文概要

本文中，宁波工程学院李小鹏、薛业建、罗维团队围绕焦耳热催化在C1分子转化中的研究进展，系统梳理了焦耳热催化的基本原理、代表性反应和电热协同机制。作者首先指出焦耳热遵循 Q = I2Rt，导电催化剂同时承担“加热体”和“反应位点”，可实现快速、均匀、可调控的原位热输入，能量转化效率通常可超过 95%。随后，综述围绕 CO2 甲烷化、重整制氢、甲醛/CO 氧化等案例总结焦耳热在传热强化、催化层活化、低温反应和紧凑反应器设计中的优势；最后从强化传热、电子输运调控和能带结构调制三条机制线索讨论“电场-热场-反应场”耦合，并指出未来仍需在原位表征、导电整体催化剂设计、放大制造和电热装备集成方面突破。

3. 图文解读

图 1. 常规加热与焦耳热催化技术对比

图 1 概括了本文的核心逻辑：常规炉式加热需要先加热炉体、反应器和气固界面，再把热量传到催化床，热阻和温度梯度不可避免；焦耳热则通过电流直接穿过导电催化剂，在反应位点内部生成热量，温度可由电流、阻值和通电时间调控。这种“内生热”模式不仅缩短传热路径，还支持快速热循环、紧凑反应器和更高能量利用率，是后续 C1 催化案例的共同基础。

图 2. CO2 甲烷化中的电热催化案例

图 2 以 Ni 泡沫整体催化剂为例展示 CO2 甲烷化的焦耳热优势。RuNi/NF 在电诱导加热下可在 300°C 实现约 73% CO2 转化率和 99% CH4 选择性，并能经受连续升温-降温循环；电流和催化层共同影响整体电阻，说明热量来自催化结构内部。XRD 结果还表明电加热可加速 LDH 层中 Ni2+ 向金属 Ni 活性位的还原，体现出焦耳热不仅是供热方式，也可能参与催化剂活化。

图 3. 甲醇水蒸气重整制氢中的电加热整体催化剂

图 3 聚焦甲醇水蒸气重整制氢，展示 FeCrAl 加热丝构建的电加热整体催化剂 EHMC。该体系在 2 A 电流下可于 29 s 内从室温升至 275°C，断电后 5 min 内降至 100°C 以下，且 100 次循环后催化层无明显脱落；反应上，EHMC 在 225°C 实现 100% 甲醇转化，比商业颗粒催化剂低约 50°C，并在 90% 转化率下支持 5.54 倍更高的 GHSV，说明整体导电结构同时强化了传热和传质。

图 4. 甲醛/CO 等气体净化反应中的焦耳热反应器

图 4 汇总了焦耳热在甲醛和 CO 氧化等空气净化反应中的应用，包括织物型 MnO2-CC 催化剂、Ag-SnO2 体系和再生反应器设计。此类反应的特点是污染物浓度低、启停频繁、对室温或低温快速响应要求高，焦耳热可通过低电压快速升温和局部活化降低整体能耗。图中红外热像与转化率对比表明，导电载体-活性组分一体化是实现高效低温氧化的关键。

图 5. 强化传热与可编程电热模式

图 5 从机制层面说明焦耳热催化的第一类优势是强化传热。传统反应器中热源到催化剂的传热速率常滞后于反应吸热需求，而焦耳热通过导电催化体内部发热实现“反向传热”，可更快匹配反应热消耗。图中还比较了常规连续加热与可编程焦耳热-淬冷模式在甲烷裂解等反应中的温度分布和产物选择性，说明电热脉冲可通过改变局部温度历程影响中间体演化和选择性。

图 6. 电子输运与晶格氧迁移机制

图 6 强调电流并不只是产生热，还会影响电子输运、晶格氧释放和带电物种迁移。低电压电驱动烟炱燃烧研究表明，导电氧化物催化剂与烟炱颗粒之间的电动流化可提高接触效率；短电脉冲活化 LaCoO3 时，在低于 300°C、1 min 内即可实现 80% 烟炱转化。甲烷氧化案例则显示，电场促进 Ce4+/Ce3+ 转化和晶格氧迁移，从而改变 Mars-van Krevelen 反应路径。

图 7. 能带结构调制与低温电场催化

图 7 展示焦耳热/电场催化的第三条机制线索：能带结构和吸附能调制。低温电场甲烷重整中，Pt/Ce0.5Zr0.5O2 在 535.1 K、4.0 mA 下可达到接近 787 K 热平衡水平的 CH4 转化；甲醛降解和甲烷干重整案例则表明，外加电场可改变局域态密度、降低 HCHO/O2/H2O 或 CO2/CH4 的吸附与活化能垒，使低温反应从“热驱动”转向“电热协同驱动”。

4. 总结展望

这篇综述的价值在于把焦耳热催化从单纯“电加热替代炉子”提升到 C1 反应电热协同机制框架：一方面，导电整体催化剂内部发热可显著缩短传热路径、提升能效并降低反应器体积；另一方面，电流和电场还可能通过电子输运、晶格氧迁移和能带结构调制改变反应路径。未来真正走向工业化，需要建立热效应与非热电场效应的定量区分方法，发展适用于高温气固反应的原位红外、拉曼和同步辐射表征平台，并在导电载体、活性组分、抗烧结/抗积碳稳定性、规模化成型和电热装备匹配上形成系统设计准则。

参考论文：Xue Kong, Tiantian Su, Faiza Meharban, Shengbin Cao, Jingsan Xu, Chao Lin, Xiaopeng Li, Yejian Xue, Wei Luo, “Beyond Furnaces: Harnessing In Situ Joule Heating for Efficient C1 Catalysis,” Carbon Energy0 (2026): e70278, https://doi.org/10.1002/cey2.70278.