KAIST研究团队实现0.02秒升温至3,000℃，氢气制备效率提升6倍

为更高效且低成本地生产氢气等清洁能源，如何以更少能耗快速合成高性能催化材料已成为关键研究方向。韩国科学技术院（KAIST）研究人员开发出一项平台技术，仅用0.02秒光照即可使材料温度骤升至3,000℃，实现高效制氢催化剂的快速制备，使氢气产率提升至原有的6倍，同时能耗仅为原方法的1/1000。该成果被视为未来清洁能源技术走向商业化的关键突破。

10月20日，KAIST宣布，由材料科学与工程系金日斗教授与电气电子工程系崔成律教授团队共同开发的“直接接触式光热退火”合成平台，可利用强光瞬时照射实现高性能纳米新材料的快速合成。

研究团队提出的催化剂合成技术，通过极短时间（0.02秒）的光照便可瞬时产生3,000℃超高温，借由光热转换将原本惰性且难以反应的“纳米金刚石”转化为导电性优异、适合作为催化载体的新材料——“碳纳米洋葱（carbon nanoonion）”。相比传统基于热丝加热的热处理工艺，该方法能耗降低至1/1000，工艺速度提升数百倍。

更具突破性的是，该工艺可同时在转化后的碳纳米洋葱表面负载金属单原子，从而实现催化功能一体化。也就是说，该平台实现了“结构转化+催化赋能”在一次光照中同时完成。

碳纳米洋葱是一种由碳原子多层堆叠而成的超细球形材料，具备优异的导电性与化学稳定性，是理想的催化载体。但现有工艺需先合成碳纳米洋葱再进行催化剂负载，且依赖高能耗、耗时长的热丝热处理工艺，商业化难度较高。

为解决这一问题，研究团队利用“光热效应”将光能转为热能。他们将吸光性能优异的“炭黑”与作为前驱体的“纳米金刚石”混合，再用氙灯强光瞬时照射。结果表明，纳米金刚石仅需0.02秒即可转化为碳纳米洋葱，分子动力学模拟也验证了该过程在物理上是可行的。

图为通过直接接触式光热处理实现碳纳米洋葱转化的示意图，以及现有热辐射合成方法的局限性（图片来源：KAIST）。

此外，该平台还可实现碳纳米洋葱的同步单原子催化功能化。当加入金属前驱盐（如铂）并照射光线后，金属被分解成单原子并立即附着于刚形成的碳纳米洋葱表面，随后快速冷却避免其团聚，从而实现材料合成与催化负载的一步式集成。研究团队利用该技术成功制备了八种高密度单原子催化剂，包括Pt、Co、Ni等。

新开发的“铂单原子催化剂-碳纳米洋葱”体系展示出氢气产率提升6倍的优异性能，同时大幅减少贵金属用量。

金日斗教授表示：“我们首次实现了通过<0.02秒强光照射使材料温度升至3,000℃的直接接触光热处理技术。该项实现能耗降千倍级的‘极速合成+单原子催化集成’技术，有望加速氢能、气体传感及环境催化等多领域的商业化进程。”

该研究由KAIST材料科学与工程系博士生全度炅、申夏敏博士（现于ETH苏黎世任博士后）与电气电子工程系车俊烘博士（现于SK hynix任研究员）共同为第一作者，崔成律与金日斗教授为通讯作者。成果刊发于美国化学会旗舰期刊《ACS Nano》9月增刊封面论文。

※论文题目：Photothermal Annealing-Enabled Millisecond Synthesis of Carbon Nanoions and Simultaneous Single-Atom Functionalization

DOI：10.1021/acsnano.5c11229

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/10/20/fuel-cells/kaist-researchers-achieve-3-000-c-in-0-02-seconds-boosting-hydrogen-production-efficiency-by-6x