激光技術在催化材料開發與能源轉化中的應用

摘 "要：文章介紹了激光技術在催化材料開發與能源轉化中的應用，包括激光金屬3D打印制備催化電極、激光輔助金屬催化材料的合成以及激光在能源轉化方向的應用案例。認為激光技術為催化材料的制備和能源轉化提供了新穎的途徑，然而目前仍停留在實驗驗證階段，需進一步研究和開發以實現實際應用。未來，隨著激光技術的持續進步和優化，其在催化材料開發和能源轉化中的潛力將得到更充分的發揮，為相關領域帶來更多創新性和實用性的突破。

關鍵詞：激光技術；催化材料；激光輔助；能源轉化

中圖分類號：TN249 " " "文獻標識碼：A " "文章編號：2096-3769（2024）06-073-06

能源轉化技術的背景和需求根植于全球日益增長的能源需求與環境問題。隨著化石燃料資源的逐漸枯竭和氣候變化的加劇，尋找高效、清潔的能源解決方案成為全球的重要任務。能源轉化的核心目標是將不同形式的能量高效地轉換，從而提高能源使用效率并減少環境負擔。例如，將太陽能、風能等可再生能源轉化為電力或化學能，是應對能源危機和減少溫室氣體排放的關鍵途徑。在這一過程中，催化材料的作用變得尤為重要。催化材料是指能夠加速化學反應的物質，它們在能源轉化技術中扮演著至關重要的角色。這些材料不僅提高了反應速率，還優化了能源轉化過程的效率。例如，在氫氣生產、電池技術和新能源合成中，催化劑的高效性直接影響著能源的利用和成本效益。催化材料的研發和應用，尤其是高活性和選擇性催化劑的開發，對于實現綠色能源技術和推動環境保護具有深遠的影響。因此，催化材料的研究不僅關注其基本性質，還需要不斷探索其在不同應用場景中的優化路徑，以提高整體能源轉化效率和經濟性。激光技術的出現，為催化材料的研究和能源轉化過程的優化提供了強有力的支持。激光技術以其高精度、高能量密度和可調控性，廣泛應用于催化材料的制備、表征和性能測試。激光技術可以用來探測催化劑的微觀結構，揭示其反應過程，從而幫助科學家設計更高效的催化劑。此外，激光在能源轉化中的應用，如激光驅動的光催化反應，為太陽能轉化和環境凈化提供了新的思路和方法。激光技術的這些應用，不僅提高了催化材料的研究效率，還推動了能源轉化技術的進步。本文詳細介紹了適用于制備催化劑的激光技術和對應的應用案例，并對激光技術在催化領域的未來發展進行了展望。

一、激光技術

1.激光技術概述

激光技術是一種基于光的放大原理的技術，激光的全稱是“光放大通過受激輻射發射”。激光的產生依賴于受激輻射過程，其中粒子被激發到更高的能級，當它們回到較低能級時，釋放出具有相同波長、相位和方向的光子。激光的核心組成部分包括激光介質、泵浦源和光學諧振腔。激光介質可以是固體、氣體或液體，其特性決定了激光的波長和顏色。泵浦源提供能量以激發介質中的原子或分子，光學諧振腔則通過反射和放大光子來增強激光束的強度。激光具有許多獨特的屬性，如高度的單色性、方向性和相干性，這使得它在科學、工業和醫療領域有廣泛應用[1][2][3]。例如，在醫療領域，激光用于眼科手術和皮膚治療；在工業領域，激光用于切割、焊接和標記；在通信領域，激光則用于光纖通信，提供高速數據傳輸。隨著技術的不斷進步，激光技術的應用范圍不斷擴展，為各行各業帶來了顯著的創新和效率提升。激光技術的種類包括氣體激光（如氦氖激光）、固體激光（如鈦寶石激光）、半導體激光和光纖激光等，每種類型都有其獨特的應用領域和優勢。

2.固體激光

固體激光器使用摻有稀土或過渡金屬離子的固體材料（如晶體或玻璃）作為增益介質。常見的例子包括釹摻鋁石榴石（Nd：YAG）激光器[4][5]。這種激光器具有較高的輸出功率和較好的光束質量，適合用于激光打標、焊接和切割等工業應用。固體激光器的優點在于其穩定性和可靠性，能夠在各種環境條件下保持性能。其輸出波長通常為可見光或近紅外范圍，具有較好的調節性。

3.氣體激光

氣體激光器以氣體混合物作為增益介質，其中氦-氖激光和二氧化碳（CO2）激光器是最常見的類型[6]。氦-氖激光器主要用于低功率的應用，如激光打印和光譜學。CO2激光器則能產生高功率輸出，廣泛用于金屬切割和焊接等工業應用。氣體激光器具有優良的波長調節能力和高能效，但通常需要較大的設備和穩定的氣體供應。其應用范圍從科研實驗到大規模工業生產都有涵蓋。

4.光纖激光

光纖激光器使用摻有稀土元素的光纖作為增益介質。這種激光器具有極高的光束質量和能效，能夠輸出高功率且穩定的激光束[7-8]。光纖激光器在通信、醫療和工業加工等領域有著廣泛的應用，尤其在光纖通信中發揮了重要作用。其主要優勢在于其緊湊的尺寸和優良的熱管理性能，使得其在各種環境下都能夠保持高效運行。光纖激光器的波長范圍可調，滿足不同應用需求。

二、能源轉化中的催化材料

催化材料在能源轉化過程中扮演了至關重要的角色，通過提升反應速率和選擇性，幫助實現高效的能源轉換。催化劑是加速化學反應的物質，它們通過降低反應的活化能來提高反應速率。主要的催化材料包括金屬催化劑、金屬氧化物催化劑和碳基催化劑。金屬催化劑如鉑（Pt）、鈀（Pd）和銠（Rh）具有優異的催化性能，廣泛應用于燃料電池和汽車排放控制中，例如鉑在氫氣燃料電池中催化氫氣的氧化反應。金屬氧化物催化劑如鈦酸鋇（BaTiO2）和錳氧化物（MnO2）在光催化和氧還原反應中表現突出，鈦酸鋇特別適用于光催化分解水產生氫氣。碳基催化劑如活性炭和石墨烯則因其高表面積和優良的導電性，常用于電催化和光催化過程，尤其在電解水制氫和二氧化碳還原反應中具有廣泛應用前景。催化反應的基本機制包括三個主要步驟：首先是催化劑表面吸附反應物，形成反應活性位點；接著，反應物在催化劑表面發生化學反應，生成中間體或產物；最后，產物從催化劑表面脫附，催化劑恢復到反應前狀態，以便參與新的反應。通過優化催化劑的結構和性質，可以顯著提高催化反應的效率和選擇性，從而推動能源轉化技術的進步。催化材料的持續創新對實現可持續能源系統至關重要。

三、激光技術在能源轉化中的應用

1.金屬3D打印制備催化電極

金屬3D打印技術利用激光束熔化金屬粉末，逐層構建復雜的金屬部件。激光精確控制加熱和熔化過程，確保高精度和優質的金屬結構。該技術適用于制造復雜幾何形狀的零件，廣泛應用于航空航天、醫療、汽車等行業，具有生產效率高、材料利用率好等優點。金屬3D打印技術在催化電極的制備中具有顯著優勢，能夠實現復雜結構的設計和高性能催化劑的制造。傳統的催化電極通常需要復雜的制造過程，而金屬3D打印通過逐層添加材料的方式，簡化了生產流程并提高了制造精度。這種技術不僅能縮短生產周期，還能降低成本，同時實現更高的設計自由度。目前，已有研究利用金屬3D打印技術構筑用于催化的電極。Martin Pumera等人使用選擇性激光熔化技術制造不銹鋼籠狀電極[9]，經過電化學改性后用于水氧化。利用此方法，他們同時制作了不銹鋼網狀電極[10]和帶狀電極[11]。

金屬3D打印催化電極的一個關鍵優勢是其能夠創建具有復雜幾何結構的電極，這些結構可以顯著提高催化反應的表面積和反應活性。例如，通過3D打印可以設計出具有多孔結構、網狀結構或蜂窩狀結構的電極，這些結構有助于增加催化劑的有效表面積，改善反應物和催化劑之間的接觸，從而提升催化效率。傳統方法很難制造出這種復雜的結構，而金屬3D打印技術使這一目標變得可行。在具體應用中，金屬3D打印催化電極廣泛用于燃料電池、金屬空氣電池和電解水制氫等領域。Jun Ding等人通過優化3D蜂窩狀不銹鋼電極的結構設計，提高了其電化學性能和耐腐蝕性，使其在水分解反應中表現出顯著的性能提升[12]。在燃料電池中，3D打印電極能夠通過優化結構來提高電池的功率密度和運行效率。例如，通過設計高效的流體流動通道，可以提高燃料的分布均勻性，減少電池內部的能量損失[13]。

此外，金屬3D打印還允許對催化電極進行個性化定制和快速迭代。研究人員可以在設計階段對電極的微觀結構進行優化，以滿足不同應用的需求。同時，這種技術支持材料的多樣化選擇，使得電極可以根據特定催化反應的需求，選擇合適的金屬合金或復合材料，提高催化性能。Jun Ding同時利用SLM技術開發了一種高效的“Shellular”電極，通過將納米晶Ni3Nb嵌入到NiFe-OOH基質中，實現了在低過電位下高達1 500 mA/cm2的電流密度，提升了水電解的工業應用潛力[14]。盡管金屬3D打印在催化電極制備中具有諸多優勢，但也面臨一些挑戰，如打印過程中的材料一致性和耐久性問題。為了克服這些挑戰，持續的技術改進和材料研究是必要的。未來，隨著技術的不斷進步，金屬3D打印催化電極有望在更多領域發揮重要作用，實現更高效、更經濟的催化反應過程。

2.激光輔助金屬催化材料的合成

在催化領域，金屬催化材料扮演著至關重要的角色，其種類涵蓋了從簡單合金到高熵合金的多種形式，每種材料都在特定的催化反應中展現出獨特的優勢。簡單合金通常由兩種或少量幾種金屬組成，通過調整金屬成分的比例，可以優化催化劑的性能。例如，鉑-鈀合金催化劑在汽車尾氣凈化中表現出優異的催化活性，能夠有效催化氮氧化物的還原反應。這類合金由于其合成工藝簡單、成本較低，廣泛應用于實際催化過程中。高熵合金的優異性能來源于其獨特的高熵效應和復雜的相結構，這些特性使其在催化反應中能夠展現出較高的活性和穩定性。此外，這些合金在催化過程中表現出良好的抗毒化能力，能夠在高負荷和高強度反應條件下維持穩定的催化活性，這對許多工業催化應用至關重要。

Lelun Jiang等人提出了一種名為激光水相燒蝕（LATW）的方法，能夠快速簡單地合成多種金屬和合金微納米顆粒[15]，通過利用納秒脈沖激光在透明玻璃基板上燒蝕金屬薄膜，LATW成功合成了銅微顆粒、Cu2O納米顆粒、金納米顆粒以及復雜的合金納米顆粒（如Au-Ag-Cu、Au-Ag-Cu-Pt和Au-Ag-Cu-Pt-Ni）。該方法允許精確控制顆粒的組成和尺寸，展示了LATW在多種微納米材料合成中的高效性和靈活性。

隨著催化需求的日益復雜，對催化劑的性能要求也越來越高，高熵合金（HEAs）作為一種新型材料逐漸受到關注。高熵合金由五種或更多金屬元素以接近等摩爾比的比例組成，具有高的結構穩定性和優異的催化性能。其核心優勢在于多種金屬元素的綜合效應，這不僅提升了催化劑的活性，還顯著增強了其耐久性。例如，高熵合金中的鉻、銅、鐵、鎳和鉬等元素可以形成獨特的合金結構，增強催化劑對各種反應物的選擇性和耐高溫性，使其在高溫和惡劣條件下仍保持良好的催化性能。

Lelun Jiang 及其團隊提出了一種激光刻寫方法，用于在空氣中合成單相固溶體高熵合金納米顆粒（HEA-NPs）[16]，該方法利用二氧化碳激光器激光誘導的亞穩態熱力學和基板輔助的空間限制效應，實現了在原子級別上可調控的合金組成。具體而言，這種三維多孔石墨烯基板在快速加熱/冷卻過程中充當了微反應器，有效地阻止了氧氣與金屬的結合，從而生成了純合金相。同時，這種基板還通過微結構限制效應實現了準確的成分控制。此外，通過結合基于自適應設計策略的主動學習方法，研究人員發現了一種具有超低過電位的五元高熵合金納米顆粒催化劑，這種催化劑在鋰-二氧化碳電池中表現出優異的性能。這種方法提供了一種簡單、快速且通用的空氣中高熵合金納米顆粒合成路線，并有潛力結合機器學習加速對高熵合金的研究。

Zhigang Zou等人通過脈沖光纖激光器激光掃描燒蝕（LSA）策略合成了PtIrCuNiCr高熵合金（HEA）電催化劑[17]，HEA納米顆粒（NPs）通過激光掃描燒蝕（LSA）策略在石墨烯基底上制造。首先，將相同原子比的鹽前體加載到石墨烯上，然后在己烷中轉移并用脈沖持續時間為5納秒的激光照射。激光光子與鹽電子耦合，導致電子溫度迅速升高，鹽層表面轉化為熔融池。當激光光斑能量超過熔融閾值時，鹽層發生升華、離子化、侵蝕或爆炸，形成高度壓縮的等離子體。等離子體和氣泡的快速加熱產生了氣泡，這些氣泡通過其約束效應在后續的納米顆粒形成中起到重要作用。最終，鹽層被震蕩波擊出形成納米顆粒。雖然激光脈沖僅持續5納秒，但從電子吸收激光能量到納米材料的成核和生長，再到顆粒的凝聚，整個過程跨越了多個時間尺度。

3.激光在能源轉換的應用案例

激光在能源轉換領域發揮著重要作用，其高精度和高能量密度使其能夠有效提升各種能源技術的效率。這種技術的創新應用正在推動能源轉換的進步和優化。脈沖激光是一種發射短時間、高能量激光脈沖的激光器，與連續激光相比，它能在極短的時間內集中釋放大量能量。這種激光用于精密加工、材料處理、醫學治療等領域，因其能夠在極短時間內達到高能量密度。Weijia Zhou展示了低功率UV脈沖激光如何提升壓電光催化劑的CO2還原效率[18]，通過對四方相BaTiO3（BTO-T）施加瞬時光壓，激光在無需外部力的情況下產生壓電勢，彎曲能帶并誘導高效的內建電場。這種方法顯著提高了CO產率，并實現了高效的光催化CO2還原。利用脈沖激光，Zhigang Zou 等介紹了一種新型的激光植入策略，用于在多種基底上（如碳、金屬和氧化物）高效地創造單原子催化劑（SAs）。通過激光脈沖，這種方法能夠同時在基底上產生缺陷并分解前體，從而生成金屬單原子，并通過電子相互作用將其固定在這些缺陷上[19]。這種方法實現了高達41.8 wt%的單原子負載，并能夠合成高熵單原子催化劑（HESAs），其在氫氣析出反應中的質量活性是商業Pt/C的11倍。這種激光植入策略為在環境條件下制備低成本、高密度的單原子催化劑提供了一種簡單而通用的方法。同時，脈沖激光在固相合成單原子催化劑[20]、氧化原催化劑合成[21]也有應用。

Guowei Yang 等人使用激光氣泡法（LBL）在室溫和常壓下從氨水中高效提取氫氣[22]。與傳統催化方法不同，LBL通過將脈沖激光聚焦在液體表面下，激發氨水中的分子，形成等離子體，并生成瞬時高溫的氣泡。這些高溫和超快冷卻條件下的氣泡提供了高效的氫氣提取環境，且激光實際作用時間僅為每小時0.36毫秒。LBL方法實現了驚人的氫氣產率，表明其是一種簡單、清潔、高效的氫氣提取技術。Guowei Yang 等人報道了一種新型的激光還原液體（LRL）方法，用于高效、選擇性地還原二氧化碳（CO2）[23]，該方法在溫和條件下實現了高達12.3 mmol h-1的CO產率，接近100%的選擇性，以及13.3%的激光能量轉換效率。LRL過程中，激光誘導等離子體在小氣泡中產生大量活性物質，伴隨瞬時極高溫度，這使得CO2還原反應在高溫下迅速進行。快速冷卻過程抑制了反向反應，保持了產品在初始階段。熱力學和動力學的協同作用導致了高產率和高選擇性，為在環境條件下的CO2還原提供了一種新方法。

四、結語和展望

激光技術在催化材料開發與能源轉化領域顯示了顯著的潛力，其高精度控制和高能量密度對研究和應用具有深遠影響。通過激光技術，催化劑的合成過程和結構優化得到了顯著提升，同時為催化性能的深入分析提供了強有力的工具。激光金屬3D打印催化電極、激光輔助金屬催化材料的合成，以及在能源轉化中的應用案例，展示了激光技術在這些領域的廣泛應用和創新性。然而，目前這些應用仍主要處于實驗驗證階段，實際應用尚需進一步的研究和開發。展望未來，隨著激光技術的不斷進步和優化，預計其在催化材料開發和能源轉化中的應用將更加廣泛和深入。這將為相關領域帶來更多的創新突破和實用解決方案，推動科技發展，并促進綠色能源和可持續技術的進步。

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Application of Laser Technology in the Development of

Catalytic Materials and Energy Conversion

HUANG Bang-cai

（Tianjin Sino-German University of Applied Sciences， Tianjin 300355， China）

Abstract： This paper introduces the application of laser technology in the development of catalytic materials and energy conversion， including the preparation of catalytic electrodes by laser metal 3D printing， the synthesis of laser-assisted metal catalytic materials， and the application cases of laser in energy conversion. It is believed that laser technology provides a novel way for the preparation of catalytic materials and energy conversion， but it is still in the experimental verification stage， and further research and development are needed to achieve practical applications. In the future， with the continuous progress and optimization of laser technology， its potential in the development of catalytic materials and energy conversion will be more fully exploited， bringing more innovative and practical breakthroughs to related fields.

Key words： Laser Technology； Catalytic Materials； Laser-assisted； Energy Conversion