导语
全球能源转型和碳中和目标的推进，使得开发新兴能源和环境技术成为当务之急。然而，传统材料合成方法因耗时、高能耗等问题，严重阻碍了相关领域的快速发展。近日，南方科技大学在《Chem. Soc. Rev.》（IF=40.4）上发表了一篇题为 “应用新兴能源和环境的超快材料合成” 的综述文章，深入探讨了超快合成技术在能源与环境领域的广泛应用及巨大潜力。
研究亮点
七类超快合成技术原理与优势
焦耳加热 ：利用电流通过导电基底产生瞬时高温（>3000 K/ 毫秒级），实现无压烧结与精准温控。例如在合成 Pt/ 碳纳米纤维复合材料时，仅需 30 毫秒即可完成合成过程，且合成后的材料应用于锂电池中，可显著提升电池的循环寿命，使其达到 4050 小时。
激光合成 ：依赖光热效应诱导前体分解，具备飞秒级时间精度与原子级空间分辨率。在制备某些精细结构材料时，激光合成能够精准地在特定位置进行材料的合成与构建，为高精度材料的制造提供了可能。
微波法 ：通过电磁辐射激发分子振荡，实现体相均匀加热。在 20 秒内就能实现 V₂O₅ 阴极与石榴石电解质（LLZO）界面融合，电子电导率提升 690 倍，界面阻抗降低 28 倍，大大提高了材料的电化学性能，为全固态电池的商业化应用扫除了关键障碍。
火焰合成 ：借助燃烧反应提供高温环境（1600 K/ 毫秒级），适用于气液前体连续处理。在制备高熵合金等材料时，火焰合成能够在短时间内完成反应过程，且反应条件相对简单，易于操作和控制。
等离子体技术 ：利用高活性离子引发表面反应，可在低温下实现材料改性。在对钙钛矿等材料进行表面处理时，仅需 2 秒即可移除其表面的有机杂质，使器件效率达 20.4% 且在湿度环境下保持稳定，有效提升了材料的性能和稳定性。
红外辐射 ：通过电子跃迁产热，兼容卷对卷制造。在 640 毫秒内完成钙钛矿薄膜处理，使硅负极在 5 A/g 高倍率下容量保持率达 80%，为大规模生产高性能材料提供了有力支持。
感应加热 ：专长于金属基底的高效涡流加热。在金属材料的加工与合成方面具有显著优势，能够在短时间内使金属基底达到所需的温度，提高材料的加工效率和质量。
这些超快合成技术共同突破了传统热力学限制，为合成亚稳态材料（如高熵合金、缺陷富集催化剂）开辟了新路径，推动了材料科学的发展。
能源存储材料革新
锂电池性能提升 ：焦耳加热法在 30 毫秒内合成 Pt/ 碳纳米纤维复合材料，通过强界面结合能引导锂均匀沉积，将锂电池循环寿命提升至 4050 小时，大大延长了电池的使用寿命，提高了其在实际应用中的可行性和经济性。
硅负极优化 ：红外辐射以 640 毫秒完成钙钛矿薄膜处理，使硅负极在 5 A/g 高倍率下容量保持率达 80%，有效提升了硅负极的倍率性能，为其在高性能电池中的应用提供了重要支撑。
全固态电池关键突破 ：微波焊接技术在 20 秒内实现 V₂O₅ 阴极与石榴石电解质（LLZO）界面融合，电子电导率提升 690 倍，界面阻抗降低 28 倍，显著改善了全固态电池的界面接触和电化学性能，为解决全固态电池的界面问题提供了有效的解决方案。
能源转换效率跃升
钙钛矿器件效率提升 ：等离子体处理 2 秒移除钙钛矿表面有机杂质，使器件效率达 20.4% 且在湿度环境下保持稳定，有效提高了钙钛矿器件的性能和稳定性，拓展了其在光伏等能源转换领域的应用前景。
析氢反应催化剂优化 ：激光合成单原子 Co 催化剂在酸性介质中析氢反应（HER）过电位仅 32 mV，低于商用 RuO₂（280 mV），大幅降低了析氢反应所需的能量输入，提高了电解水制氢的效率和经济性。
析氧反应性能增强 ：微波法合成的非晶 / 晶态 NiFe 合金将析氧反应（OER）起始过电位降至 250 mV，催化活性提升 3 倍，有效改善了析氧反应的动力学性能，为提高水电解的整体效率和可行性提供了重要助力。
环境污染治理应用
CO 氧化催化剂创新 ：火焰法合成的 Pt₁/ZrO₂ 单原子催化剂将 CO 氧化起燃温度降至 150°C，较传统湿化学法活性提升 2 倍，有效提高了 CO 氧化的效率，降低了处理 CO 污染的能耗和成本。
核废水处理突破 ：微波辅助功能化 MXene - PIL 吸附剂对碘离子吸附量达 1180 mg/g，可高效处理核废水中的 ¹²⁹I 污染物，为核废水的净化和处理提供了一种高效、经济的方法。
废塑料和废电池资源化利用 ：焦耳加热将废塑料转化为高纯度石墨烯（I₂D/Iₓ>6，D 峰强度低于商业品），而辐射法从废锂电池提取的 NiMnCo 催化剂组装锌空气电池后，功率密度达 225 mW/cm²，超越商用 Pt/C+IrO₂ 体系（190 mW/cm²），实现了废弃物的高效转化和资源化利用，减少了环境污染，同时创造了新的价值。
规模化制造技术突破
高熵合金颗粒连续生产 ：气溶胶微反应器以 5 L/min 流量连续运行 6 小时，高产率制备 CrMnFeCoNi 高熵合金颗粒（100 mg/h），实现了高熵合金的大规模、连续化生产，为其在工业领域的广泛应用提供了可能。
钙钛矿组件卷对卷制造 ：红外辐射卷对卷工艺以 0.5 cm/s 速度在柔性基底上印刷钙钛矿组件，50 米长 PET 卷材器件效率 >10%，大大提高了钙钛矿组件的生产效率和产量，降低了生产成本，推动了其在光伏建筑一体化等领域的应用。
硅氧碳陶瓷 3D 打印创新 ：焦耳加热 10 秒烧结硅氧碳陶瓷，保持亚微米级异质结界面锐度，较传统烧结避免元素互扩散问题，抗弯强度提升 2 倍，为 3D 打印技术在高性能陶瓷制造领域的应用提供了新的思路和方法。
图文解析
超快合成技术在电池中的应用（图 7）
焦耳加热合成银纳米粒子种子 ：图 7a 展示了焦耳加热合成银纳米粒子种子的阳极示意图，这种银纳米粒子种子负载在碳集流体上，用于高性能锂离子电池。
锂阳极镀层 / 剥离的循环性能 ：图 7b 展示了在裸碳纳米纤维（CNFs）和负载有银纳米粒子的碳纳米纤维（AgNP/CNFs）上，锂阳极镀层 / 剥离在 0.5 mA cm⁻² 下的循环性能对比。
等离子体辅助合成氮掺杂石墨烯 ：图 7c 展示了等离子体辅助合成的氮掺杂石墨烯（rNGO）作为锂离子电池阴极材料的示意图。
rGO/S 和 rNGO/S 复合阴极的循环性能 ：图 7d 展示了 rGO/S 和 rNGO/S 复合阴极在 1.0 C 充电速率下经过 1000 个循环的循环性能对比。
LLZO 固态电解质和 Li₃N 填充物的快速焊接过程 ：图 7e 和图 7f 展示了通过超快烧结技术制备 LLZO 固态电解质和 Li₃N 填充物的示意图，以及相应的电化学阻抗谱（EIS）。
阴极 / SSE 界面的快速微波焊接过程 ：图 7g 和图 7h 展示了利用快速微波焊接技术处理 V₂O₅ 阴极与石榴石型电解质（LLZO）界面的示意图，以及焊接前后阴极层的 I - V 曲线对比。
焦耳加热还原氧化石墨烯（GO）至还原氧化石墨烯（RGO）的过程 ：图 7i 和图 7j 展示了焦耳加热还原 GO 至 RGO 的示意图，以及还原前后 RGO 薄膜的电导率对比。
超快合成技术在太阳能电池和水分解中的应用（图 9）
等离子体辅助制备钙钛矿太阳能电池 ：图 9a 展示了等离子体辅助、开放式空气环境且可扩展的钙钛矿太阳能电池制备示意图。
转换效率与相对湿度关系图 ：图 9b 展示了等离子体辅助合成钙钛矿太阳能电池的转换效率（PCE）与相对湿度（RH）关系图。
氩等离子体处理 MAPbI₃ 表面 ：图 9c 展示了用氩等离子体处理（APT）对 MAPbI₃ 表面进行处理以去除甲铵碘化物（MAI）并暴露出富铅底层的示意图。
测试设备的稳定性测试 ：图 9d 展示了暴露在空气中且未封装的测试设备的稳定性测试曲线。
Co - NMGO 和 Fe - NMGO 结构催化剂 ：图 9e 展示了 Co - NMGO 和 Fe - NMGO 单原子催化剂（SAC）的结构示意图。
HER LSV 曲线 ：图 9f 展示了 Co - NMGO 和 Fe - NMGO 催化剂在析氢反应（HER）中的线性扫描伏安（LSV）曲线。
结构模型对比 ：图 9g 展示了非晶态 / 晶态 NiFe 合金 @ 石墨烯和晶态 NiFe 合金 @ 石墨烯的结构模型对比。
LSV 曲线对比 ：图 9h 展示了 a/c - NiFe - G、c - NiFe - G、Ni - G、Fe - G、RuO₂ 和 IrO₂ 在玻璃碳电极上的 LSV 曲线对比。
超快合成技术在环境领域的应用（图 10）
火焰合成单原子催化剂的示意图 ：图 10a 展示了通过火焰合成法制备铂单原子催化剂的示意图。
CO 转化率与温度关系图 ：图 10b 展示了不同催化剂的 CO 转化率与温度关系图。
CNTs 作为微波天线的机制 ：图 10c 展示了碳纳米管（CNTs）作为微波天线在光催化中的机制示意图。
光催化 NO 氧化性能 ：图 10d 展示了在紫外光驱动下，不同催化剂的光催化 NO 氧化性能对比。
合成 MXene 材料的实验过程 ：图 10e 展示了合成 MXene、MXene - NH₂ 和 MXene - PIL 的实验过程示意图。
吸附去除碘的性能对比 ：图 10f 展示了 MXene、MXene - NH₂ 和 MXene - PIL 对碘的吸附性能对比图。
塑料袋转化为石墨烯粉末的示意图 ：图 10g 展示了通过快速焦耳加热法将塑料袋转化为石墨烯粉末的示意图。
拉曼光谱对比 ：图 10h 展示了商用石墨烯、交流 / 直流闪焦耳热法（ACDC - IFG）制备的石墨烯和直流闪焦耳热法（DC - IFG）制备的石墨烯的拉曼光谱对比图。
超快合成技术在电池回收中的应用（图 11）
废旧电池阴极材料分离提纯的示意图 ：图 11a 展示了废旧电池阴极材料分离提纯的示意图。
超快热辐射合成催化剂的示意图 ：图 11b 展示了超快热辐射合成催化剂的示意图。
NiMoCo 纳米粒子 / AC 的 TEM 图像 ：图 11c 展示了通过超快合成法制备的 NiMoCo 纳米粒子 / AC 的透射电子显微镜（TEM）图像。
锌空气电池的倍率性能 ：图 11d 展示了使用 NiMoCo - AC 催化剂的锌空气电池的倍率性能曲线。
废旧石墨阳极超快再生的示意图 ：图 11e 展示了废旧石墨阳极超快再生的示意图。
废旧石墨的拉曼光谱 ：图 11f 展示了在不同超快处理条件下废旧石墨的拉曼光谱对比。
再生废旧石墨的倍率性能 ：图 11g 展示了再生废旧石墨的倍率性能曲线。
超快制造方法在 0D 材料制备中的应用（图 12）
碳化木材微通道加热的示意图 ：图 12a 展示了碳化木材微通道加热至 2000 K 的示意图，用于可扩展纳米颗粒的合成。
快速焦耳加热过程及其温度 - 时间曲线 ：图 12b 展示了快速焦耳加热过程的示意图及其温度 - 时间曲线（插图）。
闪光石墨烯的 HR - TEM 图像 ：图 12c 和图 12d 展示了从碳黑中制备的闪光石墨烯的高分辨率透射电子显微镜（HR - TEM）图像。
飞透高温反应器的示意图 ：图 12e 展示了带有焦耳加热功能的金属负载碳纳米颗粒飞透高温反应器的示意图。
Pt NP/C 的 TEM 图像 ：图 12f 展示了通过飞透反应器合成的 Pt NP/C 的透射电子显微镜（TEM）图像。
卷对卷生产纳米颗粒的示意图 ：图 12g 展示了卷对卷生产负载在任意基底上的纳米颗粒的示意图。
Au 纳米颗粒的 SEM 图像 ：图 12h 展示了通过超快辐射加热合成法将 Au 纳米颗粒负载在纤维素纸基底上的扫描电子显微镜（SEM）图像。
超快制造方法在 2D 制造中的应用（图 14）
红外技术在卷对卷印刷中的应用 ：图 14a 展示了红外技术在卷对卷印刷过程中对开发的钙钛矿 / 淀粉墨水进行处理的示意图。
等离子体技术在钙钛矿太阳能模块生产中的应用 ：图 14b 展示了等离子体技术在高吞吐量开放空气环境下生产钙钛矿太阳能模块的示意图。
高吞吐量开放空气生产示意图 ：图 14c 展示了高吞吐量开放空气环境下生产钙钛矿太阳能模块的示意图。
超快制造方法在 3D 制造中的应用（图 15）
激光辅助增材制造方法 ：图 15a 展示了激光辅助增材制造方法的示意图。
超高温度熔化平台 ：图 15b 展示了用于 MPEAs 增材制造的超高温度熔化平台的示意图。
超快烧结的 3D 结构材料 ：图 15c 展示了具有异质结的 3D 结构材料的超快烧结示意图。
异质结处的 EDS 映射 ：图 15d 展示了在异质结处的能谱（EDS）映射图。
传统炉窑烧结材料的 EDS 映射 ：图 15e 展示了传统炉窑烧结材料在异质结处的能谱（EDS）映射图。
总结与展望
超快合成技术凭借 “能量瞬时局域化” 核心机制，为能源与环境材料研发建立了新范式，其毫秒级反应速度较传统方法提速百万倍，亚稳态材料调控能力开辟了性能新维度。尽管目前在复杂纳米结构可控合成、公斤级量产工艺开发以及瞬态反应原位表征技术等方面仍面临挑战，但未来发展方向明确，需聚焦多技术融合，如等离子体辅助焦耳加热提升材料均匀性，AI 驱动高通量筛选优化合成参数等，应用场景还可向医疗纳米制剂、太空制造等领域延伸。
在全球能源转型与碳中和目标的驱动下，超快合成技术的重要性日益凸显。深圳中科精研作为国内领先的焦耳加热设备制造商，专注于为科研和工业领域提供高品质的加热解决方案。其焦耳加热设备能够精准控制加热过程，确保材料合成的高效性和均匀性，在上述超快合成技术中的焦耳加热应用方面具有重要意义。深圳中科精研的设备广泛应用于锂电池、全固态电池等新能源材料的合成与制造，为能源存储材料的研发提供了有力支持。深圳中科精研凭借其先进的技术和优质的产品，将继续助力科研人员探索超快合成技术的无限可能，为推动能源与环境领域的创新发展贡献自己的力量。
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