核心导读：这篇论文针对传统逆水煤气变换反应（RWGS）外部加热能耗高、非反应区热损失大的痛点，提出直接焦耳热（direct Joule heating）Mo 基导电粉体催化床的新方案，让催化剂同时充当发热体与活性相；体系在 750℃ 实现最高70.5%的近热力学平衡 CO₂ 转化、几乎完全 CO 选择性，相较传统外热节能26–60%，并在仅40 W输入功率下达到963 mmol·gcat⁻¹·h⁻¹的 CO 生成速率，展示出电驱 CO₂ 利用的高效可放大潜力。

一、背景与问题

逆水煤气变换（RWGS）是将CO₂ 转化为 CO、进一步对接费托合成和合成气化学的重要路径，但其本质上是吸热反应，高温运行虽有利于提升 CO₂ 平衡转化率并抑制甲烷副反应，却也使传统外部加热模式长期面临非反应区被一并加热、热传递路径长、系统能耗高的结构性缺陷；已有电驱 RWGS 多采用“加热元件 + 洗涂催化层”的分体式构型，而如何让催化剂本身兼具可控导电发热与高 CO 选择性，在固定床内把热量直接生成于反应核心区、同时维持高空速稳定运行与工程放大潜力，正是本文要解决的关键问题。

二、论文概要

本研究中，中国科学院上海高等研究院的郑磊、张军团队提出一种Mo 基导电粉体直接焦耳热 eRWGS 体系：将 MoO₃、MoO₂ 或 β-Mo₂C 粉末均匀夹置于两层石墨毡之间，在直流电源作用下由催化床自身产生焦耳热，从而让催化剂同时担任加热元件与活性相；研究系统比较了不同 Mo 基材料、还原预处理、反应温度与空速对性能的影响，并重点证明经还原后的 MoO₃ 在 eRWGS 中表现最优，可在 750℃ 获得接近热力学平衡的70.5%CO₂ 转化、近乎完全 CO 选择性，在 336000 mL·gcat⁻¹·h⁻¹ 高空速下仍实现963 mmol·gcat⁻¹·h⁻¹的 CO 生成速率，且 200 h 连续运行中转化率、电阻和功率基本稳定，说明“催化-发热一体化”是构建高效电驱 CO₂ 利用过程的一条可行路线。

三、图文解读

图1｜直接焦耳热 eRWGS 反应器设计

Mo 基粉体催化床直接焦耳热 eRWGS 系统示意图

这张图的核心贡献在于把传统“外炉加热 + 催化床反应”的思路改写为催化床内部原位发热：Mo 基粉末夹在上下石墨毡之间并接入直流电源，热量直接在催化层生成而非由外壁传入，配合床层中心、下游与外壁多点测温设计，构建出一个可精确比较内热式 eRWGS 与外热式 cRWGS 的实验平台，为后续“节能来自哪里”提供了清晰的结构基础。

图2｜Mo 基样品形貌与热量集中证据

MoO₃、MoO₂、β-Mo₂C 的 SEM 形貌及 MoO₃ 床层红外热像

图 2 证明了这个体系真正“热在催化床里”：一方面，MoO₃、MoO₂ 和 β-Mo₂C 都具有足够电阻，可在串联回路中承担主要发热任务；另一方面，红外热像和多点测温都显示 MoO₃ 所在区域温度明显高于石墨毡，且床层中心温度高于下游和外壁温度，说明焦耳热被有效集中在反应区，这正是该体系较传统外热显著降低无效加热损失的物理根源。

图3｜不同 Mo 基催化剂在 eRWGS 与 cRWGS 中的活性与功耗对比

MoO₃、MoO₂、β-Mo₂C、Mo 在不同模式下 10 h 转化演化、平均转化率与输入功率

图 3 最关键的信息不是“eRWGS 一定比 cRWGS 转化率高很多”，而是在接近或相当转化水平下，eRWGS 所需功率明显更低：600℃ 时焦耳热模式通常只需 27–45 W，而外部加热要 60–68 W，同时还原后的 MoO₃/MoO₂ 转化率接近 600℃ 平衡值，且 CO 选择性几乎为 100%，说明直接焦耳热并未牺牲选择性与稳定性，而是以更短热路径实现了 26–60% 的系统节能。

图4｜反应前后相结构演化

MoO₃、MoO₂、β-Mo₂C、Mo 在不同反应模式后的 XRD 图谱

图 4 说明本文讨论的活性相并不是静态的原始粉体，而是 RWGS 条件下动态演化的 Mo 基工作态：MoO₃ 反应后主要转为 MoO₂，相温升更高时进一步碳化生成 β-Mo₂C；这意味着优异性能不是来自某个单一“名义材料”标签，而是来自还原、碳化和导电性共同塑造的 MoO₂/β-Mo₂C 动态体系，也解释了为何预还原处理能显著抬升催化活性。

图5｜还原 MoO₃ 在不同温度下的 eRWGS 表现

还原 MoO₃ 在不同温度下的温度场、转化率、电压电流、电阻、XRD 与红外热像

图 5 建立了“输入功率—床层温度—反应性能”的完整对应关系：随着目标温度升高，CO₂ 转化率逐步逼近平衡值，在 700℃ 达到 69.3%，750℃ 达到摘要所述近 70.5% 的水平，而中心床层始终是最热区域，外壁温度远低于床层中心，表明选择性加热确实成立；同时，电阻稳定维持在 0.20–0.30 Ω 范围，配合 XRD 所示由 MoO₂ 向 β-Mo₂C 的逐步碳化，说明该体系在升温运行中兼具可控电学响应与可接受的结构稳定性。

图6｜空速提升下的高通量产 CO 能力

还原 MoO₃ 在不同空速下的 RWGS 性能比较

图 6 强调了该体系的工程价值：尽管随空速升高 CO₂ 转化率有所下降，但在336000 mL·gcat⁻¹·h⁻¹的极高空速下，eRWGS 仍能以仅40 W输入功率实现963 mmol·gcat⁻¹·h⁻¹的 CO 生成速率，这意味着该策略并非只适合低通量实验室展示，而是在高处理量场景下依然能够维持显著的能效优势。

图7｜200 h 长周期稳定性验证

还原 MoO₃ 样品 200 h eRWGS 长周期运行中的转化率、电压、功率与电阻变化

图 7 给出了这项工作的“能不能连续跑”的答案：在前 100 h、60000 mL·gcat⁻¹·h⁻¹ 空速下，CO₂ 转化率稳定在约53.5%，后 100 h 将空速升至 168000 mL·gcat⁻¹·h⁻¹ 后仍保持约49.4%，同时 CO 选择性几乎始终为 100%，电压约 3.4 V、功率约 50.9 W、电阻约 0.23 Ω 基本不漂移，表明直接焦耳热 Mo 基催化床不仅高效，而且具备持续稳定运行的潜力。

四、总结与展望

这项工作证明，让导电 Mo 基催化剂本身承担焦耳发热与催化双重功能，可以把 RWGS 的热量直接送到反应最需要的区域，从而在保证近 100% CO 选择性和接近平衡转化的同时，显著压缩外热过程中的无效能耗；从更长远看，这种“催化床即加热元件”的一体化设计不仅适用于 RWGS，也有望推广到更多吸热型电驱催化过程，但其真正走向工业化仍需依赖更大尺度反应器设计、热回收集成以及可再生电力波动工况下的动态控制研究。

原文：Yunfeng Jiang, Yingyu Ren, Di Wang, Yihai Wu, Lei Zheng, Jun Zhang, Wei Wei. "Electrified reverse water-gas shift via direct Joule heating of Mo-based conductive catalysts."Journal of Environmental Chemical Engineering, 14 (2026) 123061.

DOI: 10.1016/j.jece.2026.123061