注：文末有本文科研思路分析
热电材料能实现热能与电能的直接转换，已用于废热发电和无噪声冷却，在所有器件中都是通过将p型和n型热电模块以电串联热并联的方式连接配置，以实现有效的输出电压。最近，英国克朗菲尔德大学的黄照荣团队与湖南大学的彭平教授合作，发现当热电材料用作催化剂基底时，能大幅度提高催化剂的催化活性。他们将这一现象称为热电催化促进（Thermoelectric Promotion of Catalysis, TEPOC）。
黄照荣团队专门制造了一种可以实现几百摄氏度温度梯度的化学反应釜。反应釜直接放在高温底座上，上盖有水冷却。催化剂铂直接沉积在热电陶瓷BiCuSeO的高温端下表面。当BiCuSeO与上盖有直接接触时，会在2毫米厚的BiCuSeO两面产生300多摄氏度的温差，由此产生70毫伏左右的塞贝克电压。但当同一个BiCuSeO与上盖没有直接接触时，其两面的温差会小很多，相应的塞贝克电压只有8.6毫伏。他们首先在乙烯的氧化反应中观察到1，即使前者的反应表面温度比后者低将近50摄氏度，其化学反应速率却比后者高300多倍。进一步的研究表明塞贝克电压能导致反应速率的指数上涨。为了验证这一现象，他们又对二氧化碳的氢化反应进行了同样的观察2，并验证了反应速率和塞贝克电压的指数关系。该结果很快得到《自然能源》杂志作为研究亮点报道（DOI: 10.1038/s41560-017-0040-9）。
这项研究的创新性主要有两方面：（1）以前热电材料用于热发电或电制冷时都需要使用n型结合p型的模块结构；然而，用于热电催化促进时，仅需要一种p型或n型热电材料来产生所需的塞贝克电压，因此成为热电材料的新应用。（2）热电催化促进可视为一个热电化学过程：将热能直接转化为催化剂表面的化学能，这是以前没有报道过的能量转换过程。这种直接能量转换原则上应该比两个（热电效应和电化学）串联的过程更有效率。另外，这一现象是直接在固态/气态界面的电化学，不涉及液体电解质，避免了在高温下使用液体电解质相关的腐蚀问题。
1. 该论文作者为：Abdenour Achour, Jian Liu, Ping Peng, Christopher Shaw and Zhaorong Huang
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In Situ Tuning of Catalytic Activity by Thermoelectric Effect for Ethylene Oxidation
ACS Catal., 2018, 8, 10164, DOI: 10.1021/acscatal.8b02409
2. 该论文作者为：Abdenour Achour, Kan Chen, Michael J. Reece, Zhaorong Huang
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Tuning of Catalytic Activity by Thermoelectric Materials for Carbon Dioxide Hydrogenation
Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1701430, DOI: 10.1002/aenm.201701430
导师介绍
黄照荣（Z.Huang@cranfield.ac.uk）
https://www.x-mol.com/university/faculty/50204
彭平（ppeng@hnu.edu.cn）
https://www.x-mol.com/university/faculty/36814
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：最初的想法是用热电效应去解决电化学促进催化应用的根本性问题。电化学促进（Electrochemical promotion of catalysis）是电化学的一个小分支，其基本机理是固体电解质中的带电离子（如氧负离子、钠正离子）外溢到金属催化剂的外表面，并与其在金属粒子中的影像电荷形成双电层，从而导致金属催化剂功函数和化学吸附性能的变化，进而影响催化活性。电化学促进被认为是“自1950年以来电化学最显著的进展之一”。尽管如此，电化学促进催化还没有广泛应用于工业生产，主要是由于该方法有三大障碍需要克服：（1）催化剂的低分散。电化学促进催化通常使用连续的催化剂（例如铂，厚0.1-5微米）薄膜，意味着0.01％以下非常低的金属分散度，因此单位质量催化剂的活性非常低，完全不能与工业用高度分散的（几乎100％）的催化剂相比；（2）高温腐蚀流体中电力连接的复杂性；（3）缺乏有效和紧凑的反应器设计。总之，要想电化学促进催化具有竞争力，人们必须能把它应用于高度分散的催化剂。但是又如何能给高度分散、互不相连的催化剂颗粒通电呢？所以我们想利用热电和固体电解质组成的纳米复合材料作为催化剂基底，利用热电效应产生的电势差驱动局域的带电离子移动到金属催化剂的外表面，从而实现对互不相连催化剂颗粒的催化促进。
我们在热电和固体电解质组成的复合材料中很快就实现了上述设想。而且，我们发现，即使没有固体电解质，仅仅使用热电材料，即能实现对催化剂的极大促进。因为系统中根本没有带电离子，显然上述电化学促进的催化机理无法解释。于是我们意识到这是一个全新的现象，通过与湖南大学的合作，我们解释了这一新现象，即热电效应导致催化剂表面功函数的降低，从而导致催化反应速率的指数上升。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：回过头看，只要有了利用热电效应的想法，并产生出了大的温差和塞贝克电压，发现热电催化促进是肯定的事。更大的困难是弄清其机理并让别人相信你的结果，所以我们设计了各种实验去证明是塞贝克电压导致了反应速度的变化。我们是先得到乙烯氧化反应的结果，但其文章却发在二氧化碳氢化反应之后。新的东西总是不容易被接受的。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：我们相信热电催化促进具有广泛的应用。因为大部分催化化学反应都是在高温下进行的，所以，反应室和外界环境之间存在自然温度差，热电材料可通过塞贝克效应将这一温度差直接转换为塞贝克电压。另外，基于通过表面功函数变化的机理表明，热电催化促进应适用于热电材料上的任何金属催化剂，而无关其性质，如颗粒大小或金属属性。而且，人们已经在100多种不同的化学反应中实现了电化学促进催化。所以我们相信热电催化促进是一种普适现象，许多催化化学反应可以利用热电催化促进实地调节，以获得高得多的反应速率，或在较低的温度下进行，具有更好的选择性。
我们还发现热电材料BiCuSeO本身对于乙烯氧化和二氧化碳氢化都具有催化活性，并且可以通过塞贝克电压显着地促进，可称之为热电催化。热电材料在高塞贝克电压下的高催化活性指出在催化化学方法中更换或大量降低使用贵金属的可能性，从而大大降低催化剂的费用。
显然，热电催化促进和热电催化现象才刚刚发现，有关其特性与更进一步的机理研究才刚刚开始，在实际生产中的应用还没有起步。我们相信这方面的研究对发展新的，尤其是需要在高温下进行的化学反应催化剂具有很好的推进作用。我们非常欢迎和对此有兴趣的研究机构或企业进行合作研究或开发。
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