原标题：喜讯 理工学院王璐教授课题组在Joule发表研究论文首次提出热辐射催化概念

　　自从Gottlieb Kirchhoff在19世纪初发现传统热催化以来，直接热传导产生的热激发一直被认为是整个催化过程的主要驱动力，而高温所导致的电磁能（热辐射）却被长期忽视。在催化过程中使用电磁能（光能），主要包括光电催化和光热催化等即催化技术，开启了催化史上的一个新纪元，即多场耦合催化。将光能概念成功引入多种催化过程已证明其在反应器工程和催化性能等方面具有可观的优势。然而，由于太阳光的不连续性和不稳定性，且缺乏廉价、高强度和稳定的光源等问题，多数“光能参与”的催化技术的实际发展受到阻碍，特别是在大规模化工生产中。因此，如果能利用热辐射将光催化耦合至热反应过程中，将具有非常重大的意义。根据普朗克定律，温度在500-1,000°C之间的黑体辐射主要位于1,000-10,000nm之间的红外区域，而该范围包含大量分子的红外吸收特征峰。因此，上述热辐射有望通过调控温度进而控制其光谱分布，并选择性影响分子在高温条件下的运动状态，进而实现热辐射催化反应的进行。

　　在本工作中，我们将乙烷脱氢反应为模型反应，在自主设计的热辐射反应器中进行实验。实验过程中，我们发现引入二氧化碳作为热辐射接收器，不仅可以提高气体分子的温度，还可以增强反应分子间的非弹性碰撞。本工作将二氧化碳分子视为催化剂，用以促进整体催化反应的进行，并发现了二氧化碳接收热辐射后引发的新的均相气相乙烷脱氢反应路径。同时，我们通过理论模拟证实了以上观点，即热辐射激发CO2和C2H6特定振动模式可降低C-H键解离能，实现了优先C-H断键的新乙烷脱氢路径。

　　(A) 自主设计的热辐射反应器，其中橙域代表来自加热模块的热辐射。反应在石英管内进行，加热模块与石英管不直接接触。

　　(B) 在石英管外部增加不锈钢管套，主要用于减弱反应分子所受到的热辐射。

　　(A) 理论黑体辐射强度光谱以及C2H6、CO2、H2O和C2D6、13CO2、D2O分子的主要红外吸收。

　　作者将二氧化碳和乙烷气体以一定比例通入石英管内进行乙烷脱氢反应，在没有热辐射参与反应时，乙烯产生速率在600度时仅为153.46µmol h-1，将热辐射引入反应体系后，乙烯产生速率在同温度时增长至242.65µmol h-1，增幅高达58%。对比于没有二氧化碳的Ar体系，600度时有无热辐射的乙烯产生速率为82.75µmol h-1和83.36µmol h-1。并通过实验证明，热辐射催化乙烷脱氢反应与反应物分子的红外吸收有关。并且热辐射催化乙烷脱氢反应体系在100小时内仍保持接近100%乙烯选择性和稳定的乙烯产生速率。

　　对比C2H6/CO2和C2H6/Ar体系的活化能，有热辐射参与时，C2H6/CO2体系的活化能明显降低，而对于C2H6/Ar体系，热辐射并没有引起反应活化能的变化。原位红外光谱检测表明，随着反应温度升高，乙烯的特征峰逐渐明显，并且未发现明显CO产生，也证明了CO2在体系中并不是作为反应物参与反应。

　　通过AIMD进行反应过程模拟，得出了在热辐射催化下的新的乙烷脱氢反应路径。引发反应从传统热催化的C-C键断裂，转变为C-H键断裂，并计算出吸收热辐射后，CO2和乙烷的非弹性碰撞有效降低了反应所需能量。并通过原位光电离质谱成功证明在热辐射时，C2H6/CO2体系会产生更大量的C2H5*，证明了乙烷脱氢反应的路径变化。

　　上述工作充分证明了热辐射在高温热反应过程中的独特作用，并证实了热辐射催化的猜想。热辐射催化这一原创概念的提出有望作为一种针对高温热反应过程的新型研究范式，有利于加深对高温催化反应过程的理解，开辟新型催化剂设计思路，在现有热催化的基础上进一步提升整体催化性能。

　　王璐教授课题组欢迎各位热爱实验科学的本科生和直博生的加入，有意者请邮件咨询

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