中山大学杨国伟教授Chem. Soc. Rev.：突破化学催化，用激光“造能”新范式

导读

近日，中山大学杨国伟教授团队在

Chemical Society Reviews

研究背景

在清洁能源转型面临瓶颈时，一项来自中山大学杨国伟团队的原创技术—液相激光发泡（laser bubbling in liquid, LBL）正快速崛起。不同于传统热催化、光催化与电催化依赖“催化剂”和复杂“反应条件”的范式，LBL技术用高能量密度的脉冲激光在液体中瞬时生成“微/纳米气泡反应器”，在常温常压下创造上万开尔文以上的局部高温与GPa的巨大压力，并以纳秒级速度实现超快加热和淬冷，从实现化学反应的高效进行。

数据概览

图1.液相激光熔蚀（Laser ablation in Liquid，LAL）（A）和 （Laser bubbling in Liquid，LBL）（B）的示意图。

图2.（A）微气泡在焦点的延时图像，用100 k/fps高速成像和74 mJ激光脉冲能量。（B）30fs（蓝色）、0.5 ps（绿色）和1.2 ps（黄色）脉冲宽度条件下激光作用30s时的甲苯吸收光谱。插图：脉冲宽度从30fs到3ps秒，335纳米处的吸光度增长及其线性拟合。（C）吸光度增长率（k335）随脉冲宽度的变化。（D）飞秒和皮秒激光烧蚀有机液体的烧蚀过程和产物示意图。（E）经飞秒（红色）或纳秒（绿色）激光处理后，水和0.1 mM [AuCl4]–样品中过钛酸和（F） dpd2+的产率。（G）Carbyne的热力学相图。绿色区域表示carbyne生成的优势热力学区域。（H）带有金纳米晶体的单个carbyne棒状晶体，插图描述了这种结构是如何形成的。比例尺= 10 nm。

图3.LBL过程中微气泡的演化特征。（A）1064 nm、6 ns激光脉冲（20 mJ/pulse）产生等离子体后，冲击波发射和气泡膨胀的初始阶段。比例尺代表 100 微米。（B）微气泡表面周围的两个热边界层。热传导、蒸发和冷凝发生在气泡内部的热层“Ⅰ”中，其温度从 T 变化到气泡表面的蒸汽温度 TB。热传导也发生在液体中的 “Ⅱ”层中。“Ⅱ”层的温度从气泡表面的液体温度 Tl 变化到无穷远处的液体温度 T∞。

图4.LBL的四个基本过程。（A）脉冲激光束示意图。（B）单个脉冲周期内微纳气泡的四个基本过程。阶段 I：脉冲激光激发液体分子，在激光焦点处产生高密度的高能粒子。阶段 II：高能离子通过 LaMer 机制成核，形成大量微纳气泡。阶段 III：富含高能粒子的气泡继续膨胀和冷却。在膨胀和冷却过程中，活性粒子发生反应生成最终产物。阶段 IV：气泡崩溃，将产物释放到周围环境中。

图5.LBL促进二氧化碳高效高选择性还原。

图6.LBL促进水分解制氢。

图7.LBL促进氨水分解制氢。

图8.LBL促进甲醇分解零二氧化碳排放制氢。

图9.LBL促进N2同时进行氧化和还原，一步法合成硝酸氨。

图10.LBL技术规模化设想。

总结与展望

LBL 为清洁能源生产提供了一条独立于传统催化的“第三条道路”。其通过激光构建的瞬态非平衡化学环境，绕开了常规路径在能垒跨越、选择性控制与放大工程中的多重限制，使得室温常压、高选择、可规模化的制氢、碳转化与固氮成为可能。其具有以下优势：

（1）物理极端微反应器：激光在液体内产生微/纳米气泡，气泡内局部温度可达104 K、压力达百兆帕量级，形成远离热力学平衡的“瞬态反应腔”。

（2）超快动力学窗口：纳秒到微秒级加热与108–1010 K·s–1淬冷，快速“点火”并锁存目标产物，抑制逆反应与副反应，显著提升选择性。

（3）无催化剂高选择性：通过调谐激光波长、脉宽、能量密度与重复频率，实现反应路径定向与产物精准控制。

（4）室温常压下的通用方法：从CO2还原、水分解、氨裂解到氮活化，LBL构成一套统一的“激光非平衡化学”平台。

（5）可工程化放大：可通过高速振镜和光束分束等手段进行放大，通过模块化反应器匹配，以及可再生电力或太阳直接泵浦激光实现清洁能源生产。

对未来的工程化设想，采用风光电直驱高效激光器，或引入“太阳直接抽运激光”，可在源头实现低碳供能；结合激光分束并配合高速振镜扫描扩大有效作用区，沿着模块化设计反应器、在线分离（如气体收集和膜分离等），实现连续化运行；在能效维度，电-光与光-化学效率双优化是提升系统性能的关键，考虑现有商用电-光效率已超过 50%（实验室水平可达 80% 以上），配合反应腔光场与反应器的协同设计，有望进一步抬升端到端的能效。

文献详情：

Beyond chemical catalysis: laser production of clean energy

Bo Yan, Weiwei Cao, Guowei Yang

Chem. Soc. Rev.

DOI: 10.1039/D5CS00087D

长按扫码，查看原文