导语
碳材料从远古木炭到现代纳米结构的发展史，折射出人类对物质微观结构的认知深化与技术创新。近日，安徽农业大学研究团队在《Carbon Energy》上发表重磅综述，系统梳理了闪速焦耳加热技术在碳材料合成中的研究进展与应用前景。该技术通过毫秒级超高温热电耦合场驱动碳原子重排，实现了无溶剂、无催化剂条件下石墨烯等高性能碳材料的绿色合成，将能耗降至传统方法的1/50，为碳材料的低成本规模化制造提供了颠覆性解决方案。
🔍 研究亮点
首创“热电耦合”合成机制：通过103–104 V/m电场与104–105 K/s热场协同，降低碳原子重排活化能，石墨烯产率提升至90%以上
实现废弃物高值转化：从生物质、塑料废弃物直接合成比表面积874 m²/g的多孔石墨烯，电导率高达25,300 S/m，同步副产94%纯度氢气
建立超快速低能耗体系：毫秒级完成传统工艺数小时过程，能耗仅14 MJ/kg，不足氧化还原法的1/50
突破规模化生产瓶颈：通过模块化反应器设计，实现从克级到吨级的线性放大
📊 图文解析
FJH衍生产物的微观形貌对比
图A-B显示通过250 μm筛分分离的涡轮层状石墨烯与褶皱石墨烯的光学图像，其中tFG呈现平坦、延展的片层结构。图C-D的扫描电镜图像直观揭示了FJH过程中电流路径与热电耦合场对碳网络重组机制的差异性引导。
FJH一步合成功能化闪速石墨烯策略
图A展示了异质元素掺杂FG的合成示意图，图B显示不同掺杂组合中的元素含量比例。图C以碳酸钾为造孔剂，实现从烟煤合成三维多孔FG，图D显示不同闪蒸电压下所得3D PFG的孔径分布曲线，证明FJH技术在单一步骤中实现化学成分与孔隙结构精准调控的能力。
环境与经济性评估对比
图A-B的温室气体排放与生产成本分析表明，相较于焚烧等传统处理方法，FJH技术能够显著降低碳排放并凭借高价值产物实现经济盈利，在处理沥青烯等废弃物时每吨净收益282美元，减排83%。
⚙️ 技术支撑
闪蒸焦耳加热系统：具备毫秒级升温能力的反应装置，集成精准控温与电场调控
多物理场耦合设计：通过热电耦合场实现碳原子定向重排，突破传统热解局限
模块化放大平台：采用可扩展反应器设计，解决纳米材料规模化生产难题
原位表征体系：结合先进表征手段，实时监测碳材料形成过程
💎 总结展望
本综述系统阐述了闪蒸焦耳加热这一新兴技术在碳材料绿色制造中的颠覆性潜力。该技术通过毫秒级超高温热电耦合场，实现了无溶剂、无催化剂条件下高性能碳材料的高效合成，将石墨烯制备能耗降至14 MJ/kg，碳保留率从不足30%显著提升。其独特的“一废多产”模式使每吨废弃物处理净收益282美元，同时减排83%，建立了全新的碳循环经济范式。未来，通过跨尺度结构调控与绿电供能系统的深度融合，FJH技术有望在复合材料增强、电化学储能及环境修复等领域发挥更大价值，推动碳材料制造向绿色、低碳、高效方向变革。
文献信息
Review of Flash Joule Heating for the Synthesis of Graphene and Other Functional Carbon Materials.
Zhiwu Tan; Faisal Mahmood; Mengzhen Tian; Yimeng Li; Qingfa Zhang; Zhong Ma; Mingfeng Wang; Weiwei Liu; Shihong Zhang; Haiping Yang; Bin Li.
Carbon Energy, 2025.
ISSN: 2096-9570, 2637-9368
DOI: 10.1002/cey2.70119
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