以往的传统热催化面临着诸多挑战，传统催化剂的高电阻率使得在反应过程中存在巨大的电位差，这极大地限制了催化剂的实际应用效果。例如，在一些重要的化学反应中，由于电阻问题，催化剂无法充分发挥作用，导致反应效率低下，能源浪费严重。为了打破这一困境，科研人员积极探索新的催化策略，电流辅助催化策略应运而生。

中国科学院赣江创新研究院等机构的研究人员针对上述问题展开了深入研究。他们聚焦于电流辅助催化策略，致力于揭示其作用机制，并探索其在不同领域的应用潜力。研究发现，电流辅助催化能够显著提升催化剂的性能，在低温条件下实现高效的化学反应，这一成果为能源和环保领域带来了新的希望。相关研究成果发表在《The Innovation》杂志上。

在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。利用电流辅助原位表征技术，如电流辅助原位红外光谱、电流辅助拉曼光谱等，实时监测催化反应过程中的变化，获取关键信息。通过同位素氧交换实验和氧瞬态实验，直观地观察到晶格氧和分子氧在催化过程中的循环情况。借助密度泛函理论（DFT）计算，深入分析电子的迁移和占据状态，为理解催化机制提供理论支持。

2021 年，Mei 等人开展了一项研究，他们将电流施加到导电氧化物催化剂和碳烟的混合物上，在低电压（<10V）条件下，成功实现了碳烟的低温高效燃烧，且无需外部加热。研究人员提出了电动程序氧化（EPPO）方法，定量研究施加的电功率与催化性能之间的关系。实验结果显示，钾改性的锑锡氧化物（K/ATO）催化剂在 EPPO 策略下，75°C 以下就能实现 53% 的碳烟转化率，这比传统热催化所需的温度低了 400°C。在对反应机制的研究中发现，电流驱动促使催化剂释放晶格氧，这是实现低温碳烟燃烧的关键因素。同时，电流通过相反的静电流化效应，增强了固体催化剂与碳烟之间的接触，进一步促进了碳烟在催化剂表面的燃烧。该研究表明，电流驱动 / 辅助催化突破了碳烟燃烧的点火温度限制，为汽车尾气的催化净化开辟了新的路径。

Zheng 等人以高导电性和还原性的 N 型半导体 ATO 为催化剂载体，基于双位点设计原则优化了单原子 V 基 V-Nd-ATO（VNA）催化剂，并首次将其应用于电流辅助 NO_x还原反应，深入探究电流辅助催化的核心机制。研究发现，V 原子以嵌入单原子状态存在于催化剂表面，这种结构使得活性 V 位点成为单原子电子桥，促进了 V 位点的电子 - 声子相互作用。在电流辅助下，VNA 催化剂展现出优异的超低温度（<150°C）NO_x转化性能、长期稳定性能，以及抗硫 / 水干扰能力。通过精确的温度校准，研究人员定量区分了热效应（声子）和非热电流增强效应（电子）的贡献。从热和功的角度进行的能耗评估表明，电流辅助催化策略可使催化系统的能耗降低 90% 以上。

研究人员利用一系列电流辅助表征方法和理论计算，深入揭示了电流增强活性的机制。电流辅助动力学研究和原位红外实验表明，电流辅助策略能够降低催化反应的能量壁垒，促进反应分子的活化和有效碰撞，最终增强选择性催化还原过程。在微观原子层面，氧瞬态实验和同位素氧交换实验直观地证实了在电流辅助催化过程中晶格氧和分子氧的快速循环，这意味着电流辅助策略在一定程度上突破了单原子催化剂在低温下激活分子氧的限制。在更深层次的电子层面，电流辅助原位 X 射线光电子能谱结果显示，当电流通过催化剂时，移动电子主要集中在单个 V 原子周围，或者电子的定向流动降低了激发嵌入单个 V 原子周围电子所需的能量，最终导致 V - O 键减弱，即所谓的电子剪刀效应。基于此，DFT 计算揭示，在电的作用下，电子迁移占据金属 - 氧键的反键轨道，这些变化主要削弱了 V - O 键的强度，从而加速了氧循环，促进了低温下的有效分子间碰撞。

过往的研究系统地验证了电流辅助催化技术在低温碳烟燃烧和选择性还原 NO_x方面的实用性，并揭示了这一新型催化策略的核心机制。电流辅助催化通过移动电子和声子之间的协同催化作用，显著提升了催化剂的固有催化性能，有效推动了催化剂的电气化进程，在能源和环保等领域具有广阔的应用前景。

电流辅助催化基于直流电、可扩展交流电或电脉冲，只需电流通过催化剂，具有结构简单、工作电压低（实验室水平 < 10V）的特点，便于设备放大和大规模应用。其电流增强特性可大幅提高低温催化活性，焦耳热则能显著提升热能利用效率。与传统的电催化和非法拉第电化学改性催化技术相比，电流辅助催化在实施手段和机制上有着本质的区别。

目前，一系列电流辅助原位表征方法成为研究电流辅助催化反应影响的重要工具，DFT 计算在解释电子迁移和占据状态方面也发挥着不可替代的作用。电流辅助催化的机制主要包括从催化剂角度的晶格氧（或其他类型的晶格原子）释放机制，以及从反应物角度的质子跳跃机制。基于这些反应机制，电流辅助催化策略可广泛应用于氧介导的氧化还原反应、受晶格原子交换限制的反应以及催化剂预处理过程等场景，在能源和环境催化的多个领域都能发挥重要作用。

尽管电流辅助催化已经取得了一定的研究成果，但该领域仍处于起步阶段，未来还有很大的发展空间。在技术方面，可进一步探索电流辅助策略与其他外部领域（如等离子体、光、磁、微波等）的深度融合，但需要谨慎考虑机制匹配和可操作性问题。在材料方面，开发与电流辅助氧释放机制深度融合的新型催化剂，设计适用于不同场景的电流辅助催化剂结构至关重要。在机制研究方面，基于目前对电子转移和占据的理解，进一步探究多位点电子相互作用和电流影响下更深层次的电子自旋状态机制，探索电流辅助 “选择性调节” 甚至 “键选择性催化” 的可行性，利用机器学习识别电流辅助催化性能的关键描述符，有助于高效合理地筛选催化剂。

综上所述，电流辅助催化策略打破了热催化领域的一些传统观念，为人们深入理解催化过程提供了新的视角。它为实现高性能、低能耗的催化反应提供了新途径，其高实用性能够有效推动低温催化系统的工业应用，符合未来能源和环境领域的发展趋势，预示着绿色、高效、经济、智能的催化剂电气化新时代的到来，在全球能源的大规模绿色转型和碳中和目标的实现过程中，将发挥重要的推动作用。