一、研究背景

自工业革命以来，二氧化碳释放到大气中的速率持续上升，这在很大程度上是由于能源需求增加、化工生产和一些农业生产方式造成的人为排放。这些活动加在一起，导致大气中的二氧化碳浓度在过去几个世纪里增加了 50%。具体而言，温室气体排放量的持续上升与各种不利影响有关，包括极端天气模式、食品供应中断、全球平均气温升高，如果不加以解决，还可能造成大规模物种灭绝。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的《第六次评估报告》概述了主要的可持续发展目标，其重点是改进工作，减少温室气体排放对全球的威胁。其中一个目标的重点是发展创新和可持续实践，以实现工业过程的去碳化；这里的 “去碳化 ”是指降低大气中二氧化碳和其他温室气体的浓度。2020 年，工业部门排放的二氧化碳占美国能源相关排放总量的 30%，全球化学工业排放的二氧化碳占全球排放总量的 5%。值得注意的是，许多商品化学品（包括氨、烯烃和甲醇）的生产需要几个能源密集型反应，反应温度相对较高（700-1000 °C）。

预计到 2060 年，全球化学品产量将翻两番，因此必须改进化学合成的原料和工艺，以减少这些行业在未来几十年对环境的影响。更具体地说，根据国际能源机构（IEA）制定的净零排放方案，到 2030 年（与 2022 年相比），化工行业的二氧化碳排放量必须减少 18%，力争到 2050 年实现净零排放。此外，美国能源部（DOE）概述的 “工业去碳化路线图 ”强调了去碳化的四个关键战略，包括开发和利用低碳燃料/原料/能源、碳捕获/利用/储存、工业电气化和提高能源效率。因此，由于预计对化学品的需求将继续稳步增长，因此亟需技术创新和突破，以实现低碳排放的生产工艺。化工行业的去碳化是一项复杂的挑战，需要整合各种战略，采取统一的方法。其中包括碳捕集与封存 (CCS)、使用生物基和可再生原料、减少废物和循环利用以促进循环经济、减少化学品需求、以及开发技术以降低现有工业流程的能耗。

通过闪蒸焦耳热设备进行的焦耳加热又称欧姆加热或电阻加热，是电流通过材料时直接在材料中产生热能的过程。发生这种现象的原因是导体两点之间的电压差产生了局部电场，从而使电荷载流子沿电场方向加速并获得动能。当这些带电粒子与导体中的离子碰撞时，它们会产生随机运动并加剧原子振动，从而产生热能来提高材料温度。利用焦耳加热作为热源的反应器与燃烧加热的反应器相比，可以提高加热效率。具体而言，焦耳加热可直接加热反应器壁或发生反应的元件，从而使加热过程高度均匀，热量浪费少。此外，焦耳加热过程可在几秒钟内达到较高的反应温度。这与燃烧加热系统漫长的启动时间形成鲜明对比，为降低能耗提供了更多优势。此外，焦耳加热反应的效率提高后，可使用比传统反应器小得多的反应器，这有助于强化各种化学和材料合成过程。

二、摘要

由于对能源和材料的需求不断增加，大气中的二氧化碳浓度以越来越快的速度上升。化工生产是能源消耗大户，每年的二氧化碳排放量高达 9.35 亿吨，去碳化是其未来的主要目标。化工行业能源消耗和二氧化碳排放的主要来源之一与材料合成所需的热量的生产和使用有关，而这些热量通常是通过燃烧化石燃料产生的。为了应对这一巨大挑战，焦耳加热作为一种替代加热方法应运而生，它可以大大提高工艺效率，减少能源消耗和温室气体排放。在本综述中，我们将讨论制约焦耳加热工艺的关键概念，包括材料选择和反应器设计，以及目前文献中采用这些工艺合成商品化学品和石墨烯、金属物种和金属碳化物等先进材料的最新进展。最后，我们展望了该领域未来的研究方向，这将促进焦耳加热在工业过程脱碳中的广泛应用。

三、结论

除了将焦耳加热应用于其他工业流程外，还需要开展大量工作来优化和扩展现有技术，以满足工业需求。这可以通过进一步的材料设计来实现，从而在降低功率需求的同时最大限度地提高温度输出，此外，还可以全面研究不同流场对反应物转换的影响，并将其扩展到定制反应器设计的生产中。此外，随着可再生能源的日益普及，必须研究将其纳入焦耳加热工艺及其对技术经济分析和生命周期评估的影响。总之，通过闪蒸焦耳热设备进行焦耳加热合成是提高现有工业流程效率以及大规模生产新型材料的一种非常有前途的方法，在这一领域有许多令人兴奋的研究机会。

图1.(A) 反应器示意图和定制反应器的照片。(B) 用各种前驱体生产氧化石墨烯所开发的闪焦耳加热反应器的概括图和数字图像。

图2. 制氢反应器设计的插图和光学图像

图3.(A) 利用涂有 Ru/Al2O3 的 NiCrAl 泡沫催化剂载体分解 NH3 的示意图。(B) 在不同输入温度下，NH3 转化率和 (C) 转化效率与气体时速的函数关系

图4.无定形碳和无定形碳与废聚乙烯混合物的 FJH 生成 FG，作为添加剂改善环氧树脂和乙烯基酯树脂的机械性能