传统材料合成受限于热力学的缓慢平衡，而一道毫秒级的电脉冲，能以近10⁵ K/s的速率将体系“抛入”3000K以上的超高温态，再将其瞬时“冻结”，从而在原子尺度上定制出全新的物质状态。
近期，一篇发表于 《Journal of Materials Chemistry A》 的综述论文，系统阐述了超快焦耳加热（UJH） 这一颠覆性非平衡合成技术。该工作深入剖析了UJH如何通过操控瞬时超高温、超快升降温速率及内置电场这一系列极端条件，突破传统合成瓶颈，为实现先进功能材料的绿色、精准与高效制造提供了全新范式。
01 导语：突破平衡限制的材料合成新范式
先进功能材料，如高性能碳材料、多组元高熵材料及原子级分散催化剂，是推动能源、环境等领域技术革新的核心。然而，其性能的极限化往往受制于传统合成方法的固有局限：冗长的工艺、高昂的能耗，以及热力学平衡主导下难以避免的元素偏析、颗粒团聚和不利相变。
超快焦耳加热（UJH）技术的兴起，正带来一场范式革命。它利用瞬时高能电脉冲，在材料内部直接产生焦耳热，实现毫秒至秒时间尺度的超快速加热与冷却。这种极端的非平衡过程，从动力学上有效抑制了 热力学稳定的相分离过程，转而“冻结”住一系列亚稳态结构，如高熵固溶体、涡轮层状石墨烯和碳载单原子，为材料的原子级结构设计与性能调控开辟了前所未有的空间。
02 研究核心亮点
机制阐释：阐明了UJH通过超快加热/冷却（~10⁵ K/s）与内置电场协同，克服动力学扩散壁垒与热力学平衡限制的核心物理化学机制。
结构精准调控：建立了电压、脉冲时间、前驱体组成等关键工艺参数与材料缺陷浓度、晶相、元素分布等微观结构之间的定量构效关系。
材料体系创新：系统综述了UJH在闪蒸石墨烯、多组元高熵合金/氧化物、碳载单原子/纳米簇催化剂等前沿材料体系合成中的最新进展。
跨尺度表征：强调了结合拉曼光谱、球差校正电镜、X射线吸收谱等多尺度表征技术，对验证非平衡合成材料独特结构的必要性。
可持续性量化：基于生命周期评估（LCA）数据指出，UJH技术可降低近90%的碳排放与80%的成本，具备显著的工业化绿色潜力。
03 图文解析：合成-结构-性能关系的系统解码
技术原理与装置实现
如图1（UJH技术发展历程图）和图2（UJH装置原理图）所示，综述系统梳理了UJH从金属处理到废弃物升级回收的技术演进。其技术核心在于两种实现模式：交流电（AC）模式可实现秒至分钟级的持续加热，适用于需要一定反应时间的转化过程；而直流脉冲（DC）模式则能在毫秒内释放超高能量密度，实现瞬时超高温（>3000 K）与淬火。对应的管式反应器（适用于粉末前驱体与气氛控制）和板式反应器（适用于薄膜或导电预制体）为不同材料体系提供了定制化解决方案。
碳质材料的合成机制与结构调控
如图3（碳材料UJH合成机理示意图）所示，UJH将生物质、塑料等碳源一步转化为石墨烯的过程，本质上是电场辅助下的超快石墨化。电流产生的焦耳热及电场效应共同显著降低了碳原子重排的活化能，同时超快动力学抑制了非晶碳等亚稳态中间相的长大。
如图4（工艺参数-结构演化关系图）所示，产物的微观结构具有高度可调性。脉冲电压与持续时间直接决定了最终温度与保温时间，从而精确调控产物的石墨化程度（sp²碳含量）、层数、比表面积及缺陷密度。前驱体中杂原子（N、P等）的挥发与掺杂行为也在此超快过程中被动态调控。
高熵材料的热力学与动力学基础
如图5（高熵材料合成热力学与动力学分析图）所示，UJH为合成多组元高熵合金/氧化物提供了独特路径。超高温为体系注入巨大构型熵（ΔSconf），足以克服多元素间可能存在的正混合焓（ΔHmix），使吉布斯自由能（ΔG = ΔH - TΔS）在高温下为负，驱动单相固溶体形成。紧随其后的超快冷却（淬火）则从动力学上“冻结”了这一高熵亚稳态，有效抑制了元素偏析。
如图6（高熵材料合成影响因素与结构表征图）所示，成功合成均质高熵材料依赖于前驱体元素的选择（如混合焓、原子半径）、UJH参数对温度历程的精确控制，以及碳基底对金属颗粒的物理限域与锚定作用。
金属-碳复合材料的制备路径与相调控
如图7（金属-碳复合材料合成过程示意图）所示，UJH是制备高分散金属-碳复合材料（如单原子催化剂）的强大工具。超快热冲击使金属前驱体瞬间分解，金属物种经历“聚并-分裂”的动态演化，最终被碳载体上的拓扑缺陷（如空位、边缘、杂原子） 捕获并稳定，形成金属单原子或纳米团簇。
如图8（相调控热力学判据图）所示，最终产物的化学相态（金属、氧化物、碳化物）可通过反应氛围（氧化/惰性/还原）与脉冲能量进行精准控制。图中通过对比不同金属氧化物/碳化物在不同温度下的吉布斯自由能，为靶向合成特定相提供了明确的热力学判据。
多尺度结构表征方法
如图9（碳材料结构表征图谱）所示，对UJH合成碳材料的表征需多手段联动。拉曼光谱是定量评估其结构有序度的关键工具，特征峰强度比（如IG/ID值）直接关联sp²域尺寸与缺陷密度，I2D/IG值则对石墨烯层数敏感。结合X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS），可全面分析其晶格结构、层间距及表面化学状态。
如图10（高熵材料高级结构表征图）所示，证实高熵材料的均质单相特性需要原子尺度的先进表征。球差校正高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM） 结合能量色散X射线光谱（EDS） 面扫描，可直观显示多种元素在原子尺度上的均匀分布。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱可解析目标元素的局部配位环境（键长、配位数），而原子电子断层扫描（AET） 则能三维重构纳米颗粒内部的晶格应变与元素分布，为“熵稳定”效应提供直接证据。
应用性能展示：从废弃物资源化到高效催化
如图11（废塑料转化碳纳米管机制图）所示，UJH可将聚乙烯等废塑料高效转化为高附加值的碳纳米管（CNTs），实现废弃物升级回收。
如图12（贵金属选择性回收原理图）所示，该技术利用不同金属组分的饱和蒸气压差异，在UJH产生的极端高温下实现选择性挥发与冷凝，为从电子废弃物中高效回收金、钯等贵金属及稀土元素提供了新方法。
如图13（环境催化应用案例汇总图）所示，UJH制备的一系列材料在环境催化中展现出卓越性能。例如，多孔掺杂石墨烯用于有机污染物吸附与催化降解，高熵合金纳米颗粒用于硝酸盐电催化还原合成氨，金属-碳单原子催化剂用于CO₂还原，其活性与稳定性均优于传统方法制备的催化剂。
规模化生产与可持续性量化评估
如图14（连续化生产系统设计图）所示，为实现UJH技术的产业化，开发连续化“卷对卷”或“批处理-输送”系统是关键工程方向。该系统集成自动进料、脉冲触发、气氛控制与产物收集，旨在突破实验室批次反应的产能限制，实现稳定、高效的连续生产。
如图15（生命周期评估对比图）所示，对UJH技术的全生命周期评估（LCA）数据清晰地量化了其可持续性优势。以生物质废弃物为原料生产石墨烯为例，相较于传统化学气相沉积法或改进Hummers法，UJH路线能显著降低90%的温室气体排放和80%以上的综合生产成本，凸显了其作为绿色制造平台的巨大环境与经济效益。
04 总结与展望
本综述系统论证，超快焦耳加热（UJH）是一种通过操控超高温（≤4000 K）、超快升降温速率（~10⁵ K/s）及内置电场等极端非平衡条件的革命性合成范式。其核心在于利用电场辅助降低能垒，并通过“闪速淬火”动力学锁定亚稳态结构，从而实现对碳材料石墨化、高熵材料均质化及原子级分散催化位点的精准构筑。
由此制得的一系列先进材料在环境催化、能源转换及资源回收中表现出超越传统材料的性能。这种 “工艺参数-微观结构-宏观性能” 的明确构效关系，结合LCA证实的低碳排放与低成本优势，确立了UJH作为可持续材料制造通用平台的战略价值。
展望未来，该领域研究将向更深、更广、更智能的方向发展：
机制深度解析：发展原位/工况表征技术（如原位电镜、同步辐射），结合第一性原理与分子动力学模拟，实时揭示UJH过程中原子迁移、相变、缺陷形成的动态机理。
智能化材料开发：将UJH高通量合成平台与机器学习（ML）和人工智能（AI） 深度耦合，构建“理论预测-UJH合成-高通量表征-数据反馈”的智能研发闭环，实现新材料的高效筛选与理性设计。
跨领域应用拓展：推动UJH技术向塑料闭环化学回收、难熔陶瓷/MAX相合成、智能农业缓释材料、固态电解质制备等更广阔的工业和科研领域渗透，完成从实验室创新到规模化工业应用的最终跨越。
文献信息：
Fengbo Yu, Jiewen Luo, Jiaqi Zhu, Xiaoguang Duan, Jing Wang, Jian Ji, Guobo Li, Shaobin Wang, Xiangdong Zhu, Honggen Peng. Ultrafast Joule heating: Synthesis-structure-property relationships and sustainable application. J. Mater. Chem. A, 2026.
DOI: https://doi.org/10.1039/D5TA08766J
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