KAIST研究團隊實現0.02秒升溫至3,000℃

，氫氣製備效率提升6倍

為更高效且低成本地生產氫氣等清潔能源，如何以更少能耗快速合成高性能催化材料已成為關鍵研究方向。韓國科學技術院（KAIST）研究人員開發出一項平台技術，僅用0.02秒光照即可使材料溫度驟升至3,000℃，實現高效製氫催化劑的快速製備

，使氫氣產率提升至原有的6倍，同時能耗僅為原方法的1/1000。該成果被視為未來清潔能源技術走向商業化的關鍵突破。

10月20日，KAIST宣布，由材料科學與工程係金日鬥教授與電氣電子工程係崔成律教授團隊共同開發的“直接接觸式光熱退火”合成平台，可利用強光瞬時照射實現高性能納米新材料的快速合成。

研究團隊提出的催化劑合成技術，通過極短時間（0.02秒）的光照便可瞬時產生3,000℃超高溫，借由光熱轉換將原本惰性且難以反應的“納米金剛石”轉化為導電性優異、適合作為催化載體的新材料——“碳納米洋蔥（carbon nanoonion）”。相比傳統基於熱絲加熱的熱處理工藝，該方法能耗降低至1/1000，工藝速度提升數百倍。

更具突破性的是，該工藝可同時在轉化後的碳納米洋蔥表麵負載金屬單原子，從而實現催化功能一體化。也就是說
，該平台實現了“結構轉化+催化賦能”在一次光照中同時完成。

碳(tan)納(na)米(mi)洋(yang)蔥(cong)是(shi)一(yi)種(zhong)由(you)碳(tan)原(yuan)子(zi)多(duo)層(ceng)堆(dui)疊(die)而(er)成(cheng)的(de)超(chao)細(xi)球(qiu)形(xing)材(cai)料(liao)，具(ju)備(bei)優(you)異(yi)的(de)導(dao)電(dian)性(xing)與(yu)化(hua)學(xue)穩(wen)定(ding)性(xing)，是(shi)理(li)想(xiang)的(de)催(cui)化(hua)載(zai)體(ti)。但(dan)現(xian)有(you)工(gong)藝(yi)需(xu)先(xian)合(he)成(cheng)碳(tan)納(na)米(mi)洋(yang)蔥(cong)再(zai)進(jin)行(xing)催(cui)化(hua)劑(ji)負(fu)載(zai)
，且(qie)依(yi)賴(lai)高(gao)能(neng)耗(hao)、耗時長的熱絲熱處理工藝，商業化難度較高。

為解決這一問題，研究團隊利用“光熱效應”將光能轉為熱能。他們將吸光性能優異的“炭黑”與作為前驅體的“納米金剛石”混合

，再用氙燈強光瞬時照射。結果表明
，納米金剛石僅需0.02秒即可轉化為碳納米洋蔥，分子動力學模擬也驗證了該過程在物理上是可行的。

圖為通過直接接觸式光熱處理實現碳納米洋蔥轉化的示意圖
，以及現有熱輻射合成方法的局限性（圖片來源：KAIST）。

此外，該平台還可實現碳納米洋蔥的同步單原子催化功能化。當加入金屬前驅鹽（如鉑）並bing照zhao射she光guang線xian後hou
，金jin屬shu被bei分fen解jie成cheng單dan原yuan子zi並bing立li即ji附fu著zhe於yu剛gang形xing成cheng的de碳tan納na米mi洋yang蔥cong表biao麵mian
，隨sui後hou快kuai速su冷leng卻que避bi免mian其qi團tuan聚ju，從cong而er實shi現xian材cai料liao合he成cheng與yu催cui化hua負fu載zai的de一yi步bu式shi集ji成cheng。研yan究jiu團tuan隊dui利li用yong該gai技ji術shu成cheng功gong製zhi備bei了le八ba種zhong高gao密mi度du單dan原yuan子zi催cui化hua劑ji
，包bao括kuoPt
、Co、Ni等。

新開發的“鉑單原子催化劑-碳納米洋蔥”體係展示出氫氣產率提升6倍的優異性能，同時大幅減少貴金屬用量。

金日鬥教授表示：“我們首次實現了通過<0.02秒強光照射使材料溫度升至3,000℃的直接接觸光熱處理技術。該項實現能耗降千倍級的‘極速合成+單原子催化集成’技術，有望加速氫能、氣體傳感及環境催化等多領域的商業化進程。”

該研究由KAIST材料科學與工程係博士生全度炅、申夏敏博士（現於ETH蘇黎世任博士後）與電氣電子工程係車俊烘博士（現於SK hynix任研究員）共同為第一作者，崔成律與金日鬥教授為通訊作者。成果刊發於美國化學會旗艦期刊《ACS Nano》9月增刊封麵論文。

※論文題目：Photothermal Annealing-Enabled Millisecond Synthesis of Carbon Nanoions and Simultaneous Single-Atom Functionalization

DOI：10.1021/acsnano.5c11229

翻譯人：沈亞皓

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