導(dǎo)讀

近日，中山大學(xué)楊國(guó)偉教授團(tuán)隊(duì)在

Chemical Society Reviews

研究背景

在清潔能源轉(zhuǎn)型面臨瓶頸時(shí)，一項(xiàng)來(lái)自中山大學(xué)楊國(guó)偉團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)技術(shù)—液相激光發(fā)泡（laser bubbling in liquid, LBL）正快速崛起。不同于傳統(tǒng)熱催化、光催化與電催化依賴“催化劑”和復(fù)雜“反應(yīng)條件”的范式，LBL技術(shù)用高能量密度的脈沖激光在液體中瞬時(shí)生成“微/納米氣泡反應(yīng)器”，在常溫常壓下創(chuàng)造上萬(wàn)開爾文以上的局部高溫與GPa的巨大壓力，并以納秒級(jí)速度實(shí)現(xiàn)超快加熱和淬冷，從實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的高效進(jìn)行。

數(shù)據(jù)概覽

圖1.液相激光熔蝕（Laser ablation in Liquid，LAL）（A）和 （Laser bubbling in Liquid，LBL）（B）的示意圖。

圖2.（A）微氣泡在焦點(diǎn)的延時(shí)圖像，用100 k/fps高速成像和74 mJ激光脈沖能量。（B）30fs（藍(lán)色）、0.5 ps（綠色）和1.2 ps（黃色）脈沖寬度條件下激光作用30s時(shí)的甲苯吸收光譜。插圖：脈沖寬度從30fs到3ps秒，335納米處的吸光度增長(zhǎng)及其線性擬合。（C）吸光度增長(zhǎng)率（k335）隨脈沖寬度的變化。（D）飛秒和皮秒激光燒蝕有機(jī)液體的燒蝕過(guò)程和產(chǎn)物示意圖。（E）經(jīng)飛秒（紅色）或納秒（綠色）激光處理后，水和0.1 mM [AuCl4]–樣品中過(guò)鈦酸和（F） dpd2+的產(chǎn)率。（G）Carbyne的熱力學(xué)相圖。綠色區(qū)域表示carbyne生成的優(yōu)勢(shì)熱力學(xué)區(qū)域。（H）帶有金納米晶體的單個(gè)carbyne棒狀晶體，插圖描述了這種結(jié)構(gòu)是如何形成的。比例尺= 10 nm。

圖3.LBL過(guò)程中微氣泡的演化特征。（A）1064 nm、6 ns激光脈沖（20 mJ/pulse）產(chǎn)生等離子體后，沖擊波發(fā)射和氣泡膨脹的初始階段。比例尺代表 100 微米。（B）微氣泡表面周圍的兩個(gè)熱邊界層。熱傳導(dǎo)、蒸發(fā)和冷凝發(fā)生在氣泡內(nèi)部的熱層“Ⅰ”中，其溫度從 T 變化到氣泡表面的蒸汽溫度 TB。熱傳導(dǎo)也發(fā)生在液體中的 “Ⅱ”層中?！阿颉睂拥臏囟葟臍馀荼砻娴囊后w溫度 Tl 變化到無(wú)窮遠(yuǎn)處的液體溫度 T∞。

圖4.LBL的四個(gè)基本過(guò)程。（A）脈沖激光束示意圖。（B）單個(gè)脈沖周期內(nèi)微納氣泡的四個(gè)基本過(guò)程。階段 I：脈沖激光激發(fā)液體分子，在激光焦點(diǎn)處產(chǎn)生高密度的高能粒子。階段 II：高能離子通過(guò) LaMer 機(jī)制成核，形成大量微納氣泡。階段 III：富含高能粒子的氣泡繼續(xù)膨脹和冷卻。在膨脹和冷卻過(guò)程中，活性粒子發(fā)生反應(yīng)生成最終產(chǎn)物。階段 IV：氣泡崩潰，將產(chǎn)物釋放到周圍環(huán)境中。

圖5.LBL促進(jìn)二氧化碳高效高選擇性還原。

圖6.LBL促進(jìn)水分解制氫。

圖7.LBL促進(jìn)氨水分解制氫。

圖8.LBL促進(jìn)甲醇分解零二氧化碳排放制氫。

圖9.LBL促進(jìn)N2同時(shí)進(jìn)行氧化和還原，一步法合成硝酸氨。

圖10.LBL技術(shù)規(guī)?；O(shè)想。

總結(jié)與展望

LBL 為清潔能源生產(chǎn)提供了一條獨(dú)立于傳統(tǒng)催化的“第三條道路”。其通過(guò)激光構(gòu)建的瞬態(tài)非平衡化學(xué)環(huán)境，繞開了常規(guī)路徑在能壘跨越、選擇性控制與放大工程中的多重限制，使得室溫常壓、高選擇、可規(guī)?；闹茪洹⑻嫁D(zhuǎn)化與固氮成為可能。其具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）物理極端微反應(yīng)器：激光在液體內(nèi)產(chǎn)生微/納米氣泡，氣泡內(nèi)局部溫度可達(dá)104 K、壓力達(dá)百兆帕量級(jí)，形成遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的“瞬態(tài)反應(yīng)腔”。

（2）超快動(dòng)力學(xué)窗口：納秒到微秒級(jí)加熱與108–1010 K·s–1淬冷，快速“點(diǎn)火”并鎖存目標(biāo)產(chǎn)物，抑制逆反應(yīng)與副反應(yīng)，顯著提升選擇性。

（3）無(wú)催化劑高選擇性：通過(guò)調(diào)諧激光波長(zhǎng)、脈寬、能量密度與重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)路徑定向與產(chǎn)物精準(zhǔn)控制。

（4）室溫常壓下的通用方法：從CO2還原、水分解、氨裂解到氮活化，LBL構(gòu)成一套統(tǒng)一的“激光非平衡化學(xué)”平臺(tái)。

（5）可工程化放大：可通過(guò)高速振鏡和光束分束等手段進(jìn)行放大，通過(guò)模塊化反應(yīng)器匹配，以及可再生電力或太陽(yáng)直接泵浦激光實(shí)現(xiàn)清潔能源生產(chǎn)。

對(duì)未來(lái)的工程化設(shè)想，采用風(fēng)光電直驅(qū)高效激光器，或引入“太陽(yáng)直接抽運(yùn)激光”，可在源頭實(shí)現(xiàn)低碳供能；結(jié)合激光分束并配合高速振鏡掃描擴(kuò)大有效作用區(qū)，沿著模塊化設(shè)計(jì)反應(yīng)器、在線分離（如氣體收集和膜分離等），實(shí)現(xiàn)連續(xù)化運(yùn)行；在能效維度，電-光與光-化學(xué)效率雙優(yōu)化是提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，考慮現(xiàn)有商用電-光效率已超過(guò) 50%（實(shí)驗(yàn)室水平可達(dá) 80% 以上），配合反應(yīng)腔光場(chǎng)與反應(yīng)器的協(xié)同設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步抬升端到端的能效。

文獻(xiàn)詳情：

Beyond chemical catalysis: laser production of clean energy

Bo Yan, Weiwei Cao, Guowei Yang

Chem. Soc. Rev.

DOI: 10.1039/D5CS00087D

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