中国科学院大连化物所刘岳峰述评：高频电感加热超材料反应器设计-化工脱碳新思路 | Cell Press青促会述评

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物质科学

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2024年第十三期（总第171期）专栏文章，由来自中国科学院大连化学物理研究所研究员、中国科学院青年创新促进会会员刘岳峰，就Joule中的论文发表述评。

化石燃料是当下化学工业的主要供能来源，但是其大规模的消耗产生大量CO₂。在当下全球脱碳和绿色可持续发展的大背景下，研究开发高效绿色的化工过程具有十分重要的意义。近年来，太阳能、风能等可再生能源得到了快速的发展。由可再生能源获得的“绿电”一方面可以通过“电转气”得到“绿氢”和氧气作为后续化工原料，另一方面可以通过存储再利用直接为化工过程供能，降低化工生产的碳排放。

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目前，人们已经研究了多种电加热方式，包括电阻、微波、感应加热、声学和光热等过程，其中感应加热表现出巨大的潜力。电感加热作为一种非接触加热方式主要通过涡流和磁滞损耗实现对材料的加热，可以很容易地穿过绝缘体到达反应床层中心，或者说反应中心，有益于热化学反应过程，为解决热量传递限制催化剂活性这一重要问题提供了新的途径。目前，兆瓦级别的感应加热已经用于米尺度级别的冶金生产中，但目前在非均相催化领域，受限于材料的居里温度，磁性纳米催化材料的高温稳定性有待进一步提高，同时感应加热催化过程的效率普遍较低。

在本期Joule中，美国斯坦福大学Jonathan A. Fan团队针对催化反应器中能量/热量利用率低的问题，发表题为“Electrified thermochemical reaction systems with high-frequency metamaterial reactors”研究论文。他们报道了一种新颖的超材料(metamaterial)反应器应用于电磁感应化学反应过程中。阐述了加热工况下反应气内部径向和轴向感应功率与反应进行程度的耦合关系，提出了电感频率透入深度(δ)接近反应床层径向半径(R)的1/2为最佳耦合频率，在这种工况下理论热效率能达到93%，实验验证热效率达到86%，该超材料反应器和催化剂具有良好的循环稳定性，为电感加热的工程应用提供了理论和实验支持。

作者首先提出了搭建如图1所示的电感加热反应装置，为了提高感应传递效率，作者选用了具有高导热性、高强度和绝缘的碳化硅泡沫作为反应基底，用于担载氧化铝负载的碳酸钾催化剂，该反应装置用于逆水煤气变换变换反应（H₂+CO₂ = H₂O+CO）。电感加热部件包括反应器外的高频电感线圈和高频发生器。首先，根据电感生热的理论模型，作者提出当透入深度δ = R/2时，加热功率与反应床层径向半径（R）呈1/2的模型时，具有最佳的传热效率。当δ > R/2时在床层内轴向加热功率呈抛物线型，当δ < R/2时加热功率主要集中在床层外壁。根据这个模型，作者计算出，在使用电阻率大，导热性好的材料作为床层基底时，理论加热功率最高可达93%，并且可以通过理论模型计算处最佳的加热频率。

▲图1 使用超材料作为基底的电感加热反应装置照片和模型。

进一步，作者研究了固定螺旋铜线圈和均质圆柱形基座（R = 19 毫米，电导率值不同）的频率相关交流电阻和缩放趋势（图2a），并计算了不同导电性材料做床层基底时能够达到的最高传热效率（图2b）。当使用具有良好导电性的床层（如金属材料）时，在任何感应频率下都不能得到良好的传热效率，例如当使用导电率为10⁶ S/m的金属材料时，最佳传热效率也只能达到35%左右。但是当使用导电率为10³ S/m的绝缘材料时，最高传热效率能到达93%。

▲图2 超材料反应器内耦合效率的优化和设计。

随后，作者选用导电率为800 S/m的碳化硅泡沫（SiC foam）超材料作为催化剂基底，装载氧化铝负载的碳酸钾催化剂，使用6.78 MHz的感应频率对反应床层加热，进行RWGS反应。如图3a所示，在高频下，不同径向深度的加热功率呈抛物线型深入。

▲图3 超材料挡板的加热分析。

作者使用一种机械式的红外光纤检测器探测反应器不同径向位置的温度分布。在实验测试中，不同径向位置的测试温度与理论模型相似，呈抛物线型分布。通过RWGS测试发现不同径向深度的CO₂转化率与温度相关，CO₂转化率沿着径向分布先降低后升高（图4c）。在高空速下，反应转化率随空速变化趋势与常规热传导加热的反应器相似，随着空速增大，反应转化率下降。但是在低空速下，由于反应径向温度分布和平推流的运行模式，反应转化率超过了平衡转化率（图4e）。

▲图4 实验反应性能。

随后，作者讨论了超材料反应器的放大模型，即如何将实验室规模的原型放大到工业规模。放大模型主要考虑了反应器尺寸的增加对系统效率和性能的影响。研究人员证实了超材料反应器放大的理论基础，并通过缩放趋势展示，随着反应器尺寸的增加，总体能源效率将趋近于一个接近统一的值。他们考虑了通过一个比例因子β来调整反应器的直径和长度，同时保持操作频率在6.78 MHz，并调整电导率以确保在反应器直径增加时，δ（透入深度）等于R（反应器半径）的一半。通过改变超材料的几何结构和材料组成，可以轻松实现所需的电导率调整。在大型反应器的极限情况下，研究人员观察到，有益能量的利用路径和功率放大器的损耗与β的三次方成正比，而线圈的热传导损耗和功率损耗则分别与β的二次方和一次方成正比（如图5C所示）。因此，大型反应器的总能源效率将接近功率放大器的效率。关于这一分析的详细信息可以在补充实验程序部分的“系统能量平衡”和“反应器放大分析”中找到，而更深入的放大分析将是未来研究的主题。

▲图5 反应器强化和放大分析。

研究人员在论文的讨论部分总结了超材料反应器作为一种在电化学工程中的创新范例，通过精心设计的超材料骨架和电力电子设备的共同设计，实现了近乎完全的体积加热效率。他们通过逆水煤气变换反应（RWGS）的实例，展示了这些反应器能够以超过85%的边际效率转化绿色化学原料，这表明几乎所有的电能都被转化为了有用的内部热量。此外，他们强调了这些概念可以应用到广泛的高温气体重整反应，并且可以适应高温处理液体和固体原料。研究人员还指出，超材料骨架的优异热传导特性和体积加热能力，使得这些概念也非常适合其他加热系统，如蒸汽发生器、热传输流体锅炉、蒸馏塔以及基于热循环的分离系统。他们预见到，通过先进的计算设计范式，如自由形态拓扑优化，可以设计出支持空间变化的有效电导率剖面的超材料，从而产生任意体积加热剖面，以实现更理想的反应工程条件。他们还预计，随着陶瓷增材制造技术的进步，将能够实现针对特定催化剂和反应定制的超材料的高通量生产。最后，他们指出，随着电力电子设备在兆赫兹频率下的应用，可以支持微秒级分辨率的体积加热控制，从而驱动利用非平衡热路径的热化学转化。同时，他们强调了在化学生产过程中整合这些电加热反应器所需的系统级能源整合新策略的发展。

参考文献

1. W. Wang, G. Tuci, C. Duong-Viet, Y. Liu, A. Rossin, L. Luconi, J.-M. Nhut, L. Nguyen-Dinh, C. Pham-Huu, G. Giambastiani, Induction Heating: An Enabling Technology for the Heat Management in Catalytic Processes, ACS Catalysis, 9 (2019) 7921-7935.

2. G. Tuci, Y. Liu, A. Rossin, X. Guo, C. Pham, G. Giambastiani, C. Pham-Huu, Porous Silicon Carbide (SiC): A Chance for Improving Catalysts or Just Another Active-Phase Carrier?, Chem Rev, 121 (2021) 10559-10665.

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论文摘要

作者探讨了一项创新研究，该研究设计并应用了一种具有开放孔结构的碳化硅（SiC）泡沫材料作为高频电感加热反应器的加热元件。这种多孔材料不仅具有较高的热导率，还具备良好的绝缘性能，使得反应器在实验中达到了86%的能量转化效率。文中详细描述了电感加热的效率规则，并通过实验数据验证了这些规则的准确性。此外，作者还展示了如何将实验室规模的反应器（直径39毫米）的设计和理论推广到工业规模的米级反应器。这项工作为电感加热技术在化学反应工程领域的应用提供了重要的理论和实践指导，为实现理想操作状态开辟了新途径。

The authors explore an innovative study that designs and applies a silicon carbide (SiC) foam material with an open-pore structure as the heating element in high-frequency induction heating reactors. this porous material not only possesses a high thermal conductivity but also excellent insulating properties, enabling the reactor to achieve an energy conversion efficiency of 86% in experiments. the paper details the efficiency rules of induction heating and validates these rules with experimental data. furthermore, the authors demonstrate how the design and theory of laboratory-scale reactors (39mm in diameter) can be scaled up to industrial-sized reactors at the meter scale. this work provides significant theoretical and practical guidance for the application of induction heating technology in the field of chemical reaction engineering, paving new ways to achieve ideal operating conditions.

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总结

在化学工程装置上使用电感加热实现化工动力的“脱碳”是重要的发展方向，与化工原料“脱碳”同样重要。斯坦福大学的Jonathan A. Fan设计了一种使用具有开放式多孔碳化硅作为基底的电感加热反应器，优化后的反应器得到了86%的能量转换效率，这得益于碳化硅材料的高导热性、绝缘性和详细的优化模型。作者提出的优化模型和实验结果完美耦合，利用此规则有希望将实验室直径39mm的反应器拓展到反应工程上米级的反应器上，为电感加热工程化应用提供了指导。

The utilization of induction inductive heating in chemical engineering equipment to achieve "decarbonization" of chemical power represents a significant development direction, equally important as the "decarbonization" of chemical raw materials. Jonathan A. Fan from Stanford University has designed an inductive heating reactor using open-porous silicon carbide as the substrate. The optimized reactor achieved an energy conversion efficiency of 86%, which is attributed to the high thermal conductivity, insulation properties of silicon carbide, and a detailed optimization model. The proposed optimization model by the author perfectly aligns with the experimental results, suggesting that this principle has the potential to scale up the laboratory-scale reactor with a diameter of 39mm to meter-scale reactors in reaction engineering, providing guidance for the industrial application of inductive heating.

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评述人简介

刘岳峰

中国科学院大连化学物理研究所研究员

刘岳峰，中国科学院大连化学物理研究所研究员。致力于CO/CO₂等工业基础小分子的催化材料的设计及其微观结构(原位)解析工作；开发出整体式、富含缺陷的纳米碳、金属-碳(碳化物)复合纳米催化材料，实现C1、烷烃及H₂S等重要工业反应小分子的高效转化。以第一/通讯作者论文在国际顶尖杂志如Nature Catal., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun.等发表学术论文80余篇。申请PCT专利2件，授权美国、欧洲、中国发明专利8件。入选2022、2023全球前2%顶尖科学家榜单。

Dr. Yuefeng Liu is a professor at the Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academy of Sciences. His research interests deal with heterogeneous catalysis (especially for the activation of CO/CO2 molecules), environmental TEM, and the preparation and characterization of hybrid carbon nanomaterials (i.e., carbon nanotubes, graphene, and nanodiamond) and carbide-based catalysts for application in clean energy and sustainable chemistry. He has published more than 80 academic papers as the first/corresponding author in Nature Catal., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Nature Commun., etc. He has applied for 2 PCT patents and authorized 8 patents in the US, Europe and China. 

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Joule，

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中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中国科学院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

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