摘要：近日，清华大学的邓兵研究员和美国莱斯大学的James M. Tour教授在《Nature reviews clean technology》上发表了题为“Flash Joule heating for synthesis, upcycling and reme

近日，清华大学的邓兵研究员和美国莱斯大学的James M. Tour教授在《Nature reviews clean technology》上发表了题为“Flash Joule heating for synthesis, upcycling and remediation”的论文，系统综述了闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术在材料科学、废弃物管理和环境修复领域的研究进展与应用潜力。FJH 通过高功率电流脉冲实现快速升温（>3,000°C）和高效能量转换，可广泛用于石墨烯及相关碳材料、亚稳态无机材料和纳米催化剂的合成，同时支持废弃物的高附加值转化与资源回收（如电子废弃物中的金属回收和废塑料转化为石墨烯）。此外，FJH 在环境修复中展现出处理有机污染物和固定重金属的显著效果。该技术在低能耗、低碳排放和高经济效益方面优势明显，但其工业化规模发展仍面临设备优化、自动化生产和安全管理等挑战。随着工程技术的进步和政策支持，FJH 有望成为推动可持续工业化的重要工具。

【引言】

工业过程的化石燃料依赖是全球碳排放的主要来源之一。传统加热方法，例如燃煤锅炉或燃气加热，不仅能源效率低，还伴随大量碳排放。在工业电气化的背景下，FJH 技术以其高效率、高温升温能力和快速反应时间成为一个潜在的解决方案。自2020年首次用于石墨烯合成以来，FJH 技术的应用范围逐渐从实验室级别扩展到废弃物升级利用、资源回收及环境修复领域。其低能耗、高效率的特点，使其成为实现可持续工业生产的关键技术之一。

【具体内容】

1. 原理、设备与可扩展性

图1. 闪蒸焦耳加热（FJH）的原理、设备及规模化

1.1 基本原理

FJH 是一种基于直接电阻加热的技术，通过高功率电流脉冲直接作用于目标材料，使其在毫秒到秒级时间内快速加热至超高温（>3,000°C）。与传统的炉加热相比，FJH 的能量转换效率接近100%，因为不需要中间热传导介质。此外，其极快的冷却速率（10²–10⁴°C/s）使得材料可在非平衡态下完成反应，从而生成传统加热方法难以获得的亚稳态产物。

1.2 电气系统与硬件

FJH 系统分为两类：

（1）电容型系统：通过电容储能释放高功率短时脉冲，适合实验室和中小规模生产。其特点是功率输出高，但时间持续短。

（2）非电容型系统：包括直流（DC）和交流（AC）供电系统，支持连续加热，更适合工业化大规模生产。这种系统可通过编程精确控制电压和电流，灵活调节加热功率和时间。

1.3 反应器设计

针对不同的原材料和应用场景设计了多种反应器：

（1）导电材料：直接利用电流通过材料产生加热。

（2）非导电材料：通过与导电添加剂混合，或使用热传导元件间接加热。

（3）气体收集反应器：设计用于处理高温反应中的挥发物，既能防止高压积累，又能收集副产物用于进一步分析或应用。

1.4 规模化与工业实现

从实验室到工业化生产的规模扩展已逐步实现：

（1）实验室规模：克级生产系统，主要用于探索新材料及工艺。

（2）工业规模：支持千克级甚至吨级的连续生产，例如，利用自动化装置完成原料进料、反应与卸料的全过程。

（3）安全性挑战：高功率输入和快速反应可能导致电击、爆炸和其他安全风险。因此，设备设计需注重高压管理和热稳定性。

2. 石墨烯及相关碳材料的生产

2.1 闪蒸石墨烯生产与表征

FJH 技术通过将碳源（如废塑料、煤炭、生物质等）加热至 2,000–3,000°C，快速转化为涡流石墨烯。这种石墨烯具有独特的层间结构和电子特性：

（1）涡流石墨烯：其层间距更大，降低了层间的范德华力，使其电子性质接近于单层石墨烯。

（2）表征技术：通过拉曼光谱（测量 I2D/G 比值）、X 射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）分析其结晶度、层间距和缺陷密度。

图2. 闪蒸焦耳加热用于石墨烯及相关碳材料的合成

2.2 改性与功能化石墨烯

通过在反应过程中添加异质原子（如氮、硼、磷等），可实现石墨烯的掺杂，提高其导电性、比表面积和化学活性。此类改性石墨烯特别适用于电化学领域，例如电池和超级电容器。

2.3 一维碳纳米结构合成

在 FJH 过程中，利用金属催化剂（如铁、镍）可以制备碳纳米管（CNT）和碳纳米纤维。调控反应温度可实现：

（1）低温（~1,000°C）：纯碳纳米管；

（2）中温（~2,000°C）：石墨烯–纳米管复合结构；

（3）高温（>3,000°C）：完全石墨化的产物。

3. 无机材料的生产

3.1 亚稳态材料的合成

FJH 的快速热循环特性使其能够生成传统方法难以合成的亚稳态材料。例如，二硫化钼从稳定的 2H 相转化为高活性的 1T 相，或通过脉冲电压调控碳化物的相变（如 β-Mo₂C 到 η-MoC₁₋ₓ）。

图3. 闪蒸焦耳加热用于功能无机材料的相控合成

3.2 快速烧结与固态合成

FJH 提供了一种快速烧结陶瓷和固态材料的新方法，特别适合锂离子电池固态电解质的制备。其快速加热可防止锂等挥发性元素的损失，显著提高材料的性能和质量。

3.3 “闪中闪”焦耳加热

通过双层反应器设计，外管产生热量，内管进行目标材料的反应，这种设计可实现非导电或过度导电材料的大批量合成，扩展了 FJH 的适用范围。

3.4 碳载体无机纳米催化剂

在碳材料上加载金属前驱体，通过 FJH 快速生成高性能的纳米催化剂，包括单金属、合金和高熵合金。这种方法避免了传统湿化学中常见的表面污染问题。

4. 资源回收与废弃物升级利用

4.1 金属回收

通过高温蒸发和氯化反应，FJH 技术能够从电子废弃物中高效回收贵金属（如金、银、铂）和稀土元素（如镝、钕）。这为电子垃圾处理提供了高附加值的解决方案。

图4. 闪蒸焦耳加热用于金属回收与废弃物升级利用

4.2 碳基废料升级利用

FJH 可将废塑料、废橡胶等低价值碳源转化为高质量石墨烯。这一过程无需废料清洗或分类，大幅降低了废料处理成本，并为废料的二次利用提供了经济激励。

图5. 废塑料与生物质通过闪蒸焦耳加热升级为涡流石墨烯和清洁氢气

5. 环境修复

5.1 有机污染物的去除与降解

FJH 能够快速分解全氟和多氟烷基物质（PFAS），这类物质在传统化学处理中难以降解。通过 FJH 的高温反应，可将其转化为无毒产物。

图6. 闪蒸焦耳加热用于废弃物降解和土壤修复

5.2 重金属的固定与去除

通过高温处理污染土壤，FJH 可固定重金属或将其转化为稳定化合物，从而防止重金属的迁移和扩散。

6. 可持续性与技术经济考量

生命周期分析显示，FJH 技术相比传统方法具有能耗低、碳排放少的优点，尤其在废料处理和石墨烯生产方面。其成本效益分析表明，FJH 可有效降低工业生产成本，特别适用于低价值废料的升级利用。

图7. 闪蒸焦耳加热工艺的生命周期评估与技术经济分析

7. 总结与未来展望

FJH 在材料合成、废弃物管理和环境修复领域表现出巨大潜力。然而，其进一步发展需要解决设备优化、反应自动化和安全性管理等问题。未来，随着工程技术进步和政策支持，FJH 有望成为推动低碳工业化的重要技术。

来源：焦耳热超快合成

来源：石墨烯联盟