导语
一维纳米材料作为能源、电子和医疗等领域的关键基础材料，其高效、可控合成一直是纳米科技界的核心挑战。近日，北京大学李彦教授团队在《Nature Synthesis》上发表题为“催化焦耳加热秒级合成一维纳米材料”的重要研究成果。该研究创新性地将金属催化剂引入快速焦耳加热过程，构建了“催化焦耳加热-气液固生长”新方法，在秒级时间内实现了碳化硅、II–VI/III–V族半导体、高熵碳化物及碳纳米管等多种一维纳米材料的可控合成。该技术不仅将反应时间从传统方法的数小时缩短至秒级，能耗降低约两个数量级，更在超过2500°C的极端条件下验证了VLS生长机制的有效性，为一维纳米材料的绿色、高效制造开辟了新路径。
🔍 研究亮点
秒级合成技术：利用催化焦耳加热在1秒内实现接近2500°C的超高温，将反应时间从数小时缩短至秒级
精准形貌调控：通过调控催化剂负载量，实现纳米线直径在19.1–111.3 nm范围内的精确控制
广泛材料适用性：成功合成SiC、B₄C、ZnO、GaP、高熵碳化物及碳纳米管等多种一维材料
卓越能效表现：能耗仅52.9 kJ/g，较传统方法降低约98.5%，具备克级放大能力
📊 图文解析
图1 反应器设计与SiC纳米线合成
图1a展示了催化RJH反应器的核心设计，通过直流电对含反应物、催化剂与炭黑的样品进行快速加热。图1b显示该方法可在1秒内将温度提升至接近2500°C，显著提高反应速率。合成的SiC纳米线形貌均匀（图1c），XRD图谱（图1d）显示随着反应时间延长，SiO₂逐步转化为SiC。HRTEM分析（图1f）显示清晰的晶格条纹（间距2.5 Å），对应3C-SiC的（111）晶面，证实产物具有优良晶体质量。
图2 VLS生长机制与调控规律
通过调控催化剂负载量，实现SiC纳米线直径在19.1–111.3 nm范围内的精确调控（图2a）。STEM元素分布显示Co和Ni富集于纳米线顶端，Si和C均匀分布（图2b），结合HRTEM观察到的催化剂-纳米线结晶界面（图2c），证实其为典型VLS生长模式。研究还发现低压条件下金属催化剂挥发会导致VLS路径中断（图2d），而RJH的超快升温有效抑制催化剂熟化与团聚，获得尺寸分布更窄的纳米线（图2f）。
图3 多材料体系普适性验证
在B₄C纳米线合成中，XRD与HRTEM结果显示其具备菱方晶体结构，晶面间距分别为0.26 nm与0.40 nm（图3a–c）。元素成像中B、C的均匀分布及Co、Ni在顶端的富集再次验证VLS机制（图3d）。该方法也成功应用于ZnO与GaP纳米线的合成，其分别沿[001]与[111]晶向生长，XRD中检测到的ZnAu与Au₇Ga₂等合金相以及顶端催化剂颗粒（图3e–l），确认在多元半导体体系中仍遵循VLS生长路径。
图4 高熵碳化物纳米线合成
吉布斯自由能分析表明（图4a），RJH的高温与高加热速率可同步实现多种金属氧化物的碳热还原，克服还原温度差异的热力学限制。以Ti、Zr、Hf、Nb、Ta等氧化物为前驱体，成功合成了高熵碳化物纳米线。HRTEM图像中0.22 nm的晶格条纹对应于立方结构碳化物的（200）晶面（图4d），元素分布图显示各金属元素均匀分布（图4e），具备高熵特性。通过调节前驱体比例，可实现元素组成的可控调节（图4f）。
图5 碳纳米管合成与调控
以聚乙烯为碳源，CoMo/层状双氢氧化物为催化剂，在约1150°C条件下成功制备多壁碳纳米管（图5b–d）。HRTEM显示石墨层间距为0.34 nm，拉曼光谱中G带强度增强表明石墨化程度良好（图5e）。通过调控催化剂负载量，实现MWCNT直径在5.3–8.8 nm之间的精确调控（图5f）。采用Al₂O₃气凝胶为载体，在较低温度下合成出直径约1.8 nm的单壁碳纳米管，拉曼光谱中的径向呼吸模确认了SWCNT的形成（图5g–i）。
图6 放大潜力与能效评估
在第二代RJH系统中，通过弹簧加载电极实现反应过程中导电接触的动态调节（图6a），实现了每批次15克级SiC纳米线的放大合成。统计结果显示，放大后纳米线直径分布为19.4 ± 4.0 nm（图6b），与克级合成结果高度一致。能耗方面，RJH工艺每克粗产品的能耗仅为52.9 kJ，总能耗为传统炉式法的约1.5%（图6c）。反应时间从数小时缩短至数十秒（图6d），展现出在能耗与时间效率方面的显著优势。
⚙️ 技术支撑
催化焦耳加热系统：具备秒级升温至2500°C能力的反应装置，集成催化剂引入与温度精确控制
多尺度表征平台：结合HRTEM、XRD、STEM、拉曼光谱等先进表征手段，全面解析材料结构与生长机制
原位分析技术：集成多种原位监测方法，实时追踪VLS生长过程与催化剂行为
规模化反应器设计：弹簧加载电极系统确保放大过程中的稳定导电接触，实现克级合成
💎 总结与展望
本研究通过构建催化焦耳加热-气液固生长新策略，成功实现了多种一维纳米材料的秒级可控合成，弥合了极端高温条件与精细纳米结构调控之间的技术鸿沟。该技术不仅将VLS生长机制的适用温度窗口拓展至2500°C以上，更凭借超快动力学特性突破了多元体系的热力学限制，实现了直径可调的纳米线及多元素纳米材料的可控合成。在能耗与时间效率方面的显著优势，结合其克级放大的可行性，为一维纳米材料的低成本规模化制备提供了切实可行的技术路径，有望推动能源、电子等领域的技术革新。
文献信息
Jian Sheng, Yifan Xu, Zhen Han, Sida Sun, Xinrui Zhang, Chi Xu, Runze Lai, Dan-Na Wu, Hai-Gang Lu, Si-Dian Li & Yan Li. Catalytic Joule heating synthesis of one-dimensional nanomaterials in seconds. Nat. Synth (2025).
https://doi.org/10.1038/s44160-025-00933-1
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