【引言】

二氧化碳（CO₂）甲烷化反应是将CO₂转化为高附加值化学品、实现碳循环的重要途径。然而，惰性CO₂分子需要高温活化；甲烷化作为放热反应，低温才更利于后续的加氢过程以生成目标产物甲烷。为了突破该反应固有的热力学矛盾，济南大学周伟家教授、刘宏教授团队联合北京大学马丁院士、山东大学张百涛教授，创新性地提出了“激光扫描诱导局部温度振荡”策略，通过激光扫描在催化剂表面构建了空间与时间双尺度的局部温度振荡场，实现了高效、稳定的CO₂甲烷化过程。该项研究成果发表于Science Bulletin期刊，论文的共同第一作者为吴彤与夏金宝。

【研究亮点】

1.突破传统反应模式固有的热力学限制：通过振镜辅助的激光扫描技术，在催化剂表面成功构建了时间-空间双尺度温度振荡，在同一位点上交替进行CO₂活化和加氢，突破了反应固有的热力学矛盾。

2.毫米级分辨率原位气体检测系统：基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，自主搭建毫米级分辨率的原位气体检测系统，首次实现对催化剂表面CO和CH₄空间浓度分布的可视化监测，直观验证了反应产物的空间分离现象，为揭示激光诱导局域温场催化机制提供了关键的实验证据。

【研究背景】

随着全球化石燃料的大量消耗，温室气体排放引发的环境问题愈发严峻。在此背景下，将CO₂转化为高附加值化学品，不仅能实现碳资源的循环利用，更是应对气候变化的重要途径。其中，将CO₂转化为甲烷（CH₄）的CO₂甲烷化技术，因其在清洁能源转换与存储中的巨大前景，已成为当前科学界的研究热点。然而，这一反应在实际应用中却面临着固有的热力学矛盾：从动力学角度看，惰性的CO₂分子极其稳定，其C=O键能高达806 kJ mol⁻¹，必须在较高温度下才能有效削弱C=O键；但从热力学角度看，CO₂甲烷化是一个强放热反应，温度过高反而会抑制热力学平衡向CH₄移动，极易导致中间产物提前脱附并生成副产物CO。传统催化手段由于缺少精准高效的热管理方式，导致传统工艺中甲烷的产率和选择性难以兼顾，成为了制约该反应走向高效实用的关键瓶颈。

【图文导读】

图1. （a）TDLAS原位气体检测系统示意图；（b）CO/CH₄气体模拟吸收光谱；（c）固定激光下催化剂表面产物浓度与温度分布；激光扫描模式下的催化剂表面红外热成像（d）及不同激光扫描速度对应的温度振荡曲线（e）；（f）不同扫描速度下的催化活性对比；（g）激光固定加热与扫描加热对CO₂活化/加氢步骤影响机制示意图。

研究团队通过自主构建的毫米级分辨率可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）系统，利用对应波长的分布式反馈（DFB）激光器和量子级联激光器（QCL），检测了催化剂表面产物与局部温度的空间分布关系。结果显示，在传统的固定激光照射下，中心高温区（> 750 °C）尽管有利于CO₂活化，但过高的温度极易导致中间体脱附，使得检测到的主要为副产物CO；而大量生成目标产物CH₄的区域仅分布在外围的中温区（350 ~ 750 °C）。这种CO₂活化/加氢的空间割裂导致系统整体的CH₄产率（158 mmol g⁻¹ h⁻¹）和选择性（35%）较低。当引入激光扫描策略（扫描速度为100 mm s⁻¹）时，催化位点在时间尺度上产生了周期仅为160 ms、温度在580 °C至850 °C之间的高频温度振荡，使得CH₄产率提升5.5倍（达到866 mmol g⁻¹ h⁻¹），选择性大幅提升至95%。激光扫描引发的快速动态温度调控，促使CO₂高温活化与随后的中温加氢步骤在同一个活性位点上依次交替循环发生，从而在微观层面上规避了放热反应固有的热力学平衡限制。

图2. （a）流动反应器结构示意图；（b）气体流经激光扫描区域参与反应示意图；（c）不同质量空速下的CO₂甲烷化活性；（d）固定激光与激光扫描的催化稳定性测试；（e）激光扫描对应温度曲线及对应实时产物响应；本工作在不同质量空速下的CH₄选择性（f）、CH₄产率（g）和CO₂转化率（h）与已报道文献的性能对比。

为了论证该技术的实际应用潜力，研究团队进一步将激光催化系统置于自制的流动式反应器中，将中心带有圆孔的催化剂放置于反应器气流通道上进行流动体系性能评估。测试结果表明，该激光扫描反应体系展现出了优异的催化活性：在50,000至250,000 mL g⁻¹ h⁻¹的宽质量空速测试范围内，系统的CH₄选择性始终保持在95%以上。在长达70小时的长时间稳定性测试中，系统表现出卓越的耐受性，产率整体衰减不足5%。此外，经催化剂进一步优化（由Ni-CeO₂优化为C-Ni-CeO₂）后，CH₄产率进一步提升至1071 mmol g⁻¹ h⁻¹；系统仅需5 W的超低激光功率即可高效运行，其总能量效率（693 kJ mol⁻¹）和单位电能成本（0.37 mol kWh⁻¹）优于传统热催化。此外，得益于激光毫秒级的光热响应速度，反应系统展现出优异的“即开即停”操作特性，该特性完全避免了传统工业反应器因“空转等待”而导致的能源浪费，非常契合间歇式、分布式的能源生产场景。

【总结】

本研究提出了一种利用激光扫描在催化剂表面构建“时空双尺度”局部温度振荡的通用策略，并借助自主搭建的毫米级原位TDLAS气体检测系统，阐明了打破放热反应热力学平衡限制的深层催化机制，实现了集高产率、高选择性与长效稳定性于一体的高效CO₂甲烷化过程。该策略也为突破其他类似具有热力学矛盾的强放热化学品合成反应（如NH₃合成）提供了全新的动态温度调控思路。展望未来，通过优化催化剂组分、结构，有望与激光诱导温度振荡策略高效耦合，进一步提升反应效能；同时，在规模化放大方面，引入工业级常见的激光阵列技术有望成倍放大该系统的整体加工通量，加速推动激光驱动的动态低碳能源转化技术的规模化工业落地。

【文章信息】

Localized temperature oscillation induced by laser scanning for efficient and stable CO₂ methanation

Tong Wu^#, Jinbao Xia^#, Yue Li, Xue Dong, Zhiqiang Rao, Yanfeng Li, Chuanshun Xing, Lili Zhao, Wenqiang Gao, Wei Xia, Baitao Zhang*, Hong Liu*, Ding Ma*, Weijia Zhou*, Science Bulletin, 2026, DOI: 10.1016/j.scib.2026.05.069

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927326005979