一、研究背景

碳是自然界的基本元素，是包括石墨在内的众多材料的基础。其中，石墨烯是一种二维（2D）材料，由排列成六边形晶格的单层 sp2 键碳原子组成，因其独特的电气、机械、光学、热学和传感特性而备受关注。这些优异特性使石墨烯成为各技术领域研究的前沿。

生产石墨烯的传统方法，如机械剥离、化学还原和化学气相沉积（CVD）等，已经得到了广泛的应用。然而，这些技术往往在经济可行性和环境可持续性方面面临挑战。机械剥离法虽然能生产高质量的石墨烯，但劳动密集型且产量有限。化学还原法涉及危险化学品，引起环境问题。化学气相沉积法尽管能够生产大面积石墨烯，但需要高温和昂贵的设备，限制了其可扩展性。

为了应对这些挑战，闪蒸焦耳加热（FJH）已成为石墨烯合成的一种有前途的替代方法。这种新技术采用快速高温工艺，能够将多种含碳材料转化为石墨烯。FJH 不仅能解决传统方法的局限性，还能应对每年管理 20 多亿吨固体废物的全球性挑战。该工艺的特点是简单、易于操作，但需要大量能源输入才能瞬间达到所需的高温。

最近的研究证明了 FJH 在将各种废料转化为高质量石墨烯方面的多功能性。研究人员已成功地将塑料废料、家用煤炭和生物质废料转化为石墨烯，与传统合成技术相比，在环境和能源消耗方面具有显著优势。此外，科学机器学习框架的集成增强了我们对 FJH 过程的理解，从而改进了石墨烯产量的预测。

通过 FJH 生产的石墨烯的质量和产量受原料中碳含量和杂质含量的显著影响。这种可变性要求采用量身定制的方法来优化不同前驱体材料的石墨烯生产。

在此背景下，我们的研究旨在探讨铅笔芯作为前驱体通过 FJH 合成石墨烯的潜力。铅笔芯是石墨和粘土的复合材料，是一种丰富且低成本的碳源，具有高导电性和层状结构，因此很有希望成为石墨烯生产的候选材料。然而，不同类型铅笔芯中石墨与粘土的比例不同，可能会影响碳含量和杂质含量，从而可能影响合成石墨烯的质量和产量。

本研究的主要目的是系统地研究铅笔芯中不同的石墨与粘土比对通过 FJH 合成石墨烯的影响，优化 FJH 工艺参数，特别是应用电压，以最大限度地提高铅笔芯前驱体的石墨烯产量和质量，并比较在不同条件下合成的石墨烯样品的结构和电化学特性，以确定最有效的合成方法。

为了实现这些目标，我们进行了一系列实验，改变铅笔芯中石墨与粘土的比例，并在不同电压下施加 FJH。我们对得到的石墨烯样品进行了全面的表征，以评估其质量和特性。

通过阐明铅笔芯成分和加工条件对 FJH 过程的影响，本研究旨在为开发更高效、更环保的石墨烯生产方法做出贡献，从而为可持续、可扩展的石墨烯合成开辟新途径。

二、摘要

利用具有成本效益且随时可用的资源生产石墨烯仍然是材料科学领域的一项重大挑战。本研究调查了普通铅笔芯作为前驱体使用闪焦耳加热（FJH）工艺合成石墨烯的潜力。我们研究了不同电压（0 V、200 V 和 400 V）下代表不同石墨与粘土比率的 6H、4B 和 14B 铅笔牌号，以阐明初始成分、应用电压和所得石墨烯质量之间的关系。使用拉曼光谱、电阻测量和显微分析对样品进行了表征。结果表明，石墨烯对外加电压的反应具有等级特异性，所有样品在经过 FJH 处理后电阻都有所下降。拉曼光谱显示了明显的结构变化，尤其是 ID/IG 和 I2D/IG 比值的变化，有助于深入了解缺陷密度和层堆叠情况。值得注意的是，14B 铅笔在 400 V 下表现出独特的行为，ID/IG 比从 0.135 下降到 0.031，结晶尺寸从 143 nm 增加到 612 nm，这表明可能存在原位退火效应。相比之下，硬度较高的牌号（6H 和 4B）在较高电压下显示出更高的缺陷密度。这项研究有助于开发更高效、更环保的石墨烯生产方法，为可持续、可扩展的合成开辟了新途径。

三、结论

我们的研究揭示了铅笔芯材料在电压诱导下发生的显著结构变化，不同等级的铅笔芯对电压的反应也不尽相同。研究结果表明，不同等级的铅芯对外加电压的反应各不相同，所有样品在经过 FJH 处理后电阻都有所下降。拉曼光谱显示了明显的结构变化，特别是在 ID/IG 和 I2D/IG 比值方面，为了解缺陷密度和层堆叠提供了依据。特别是 14B 铅笔在 400 V 下表现出独特的行为，ID/IG 比从 0.135 降至 0.031，结晶尺寸从 143 nm 增至 612 nm，这表明可能存在原位退火效应。另一方面，硬度较高的牌号（6H 和 4B）在较高电压下显示出更高的缺陷密度。在 400 V 电压下，在 14B 铅笔引线中观察到的超高转换率和改进的结构特征表明，富含更多石墨的引线对于基于电压的高质量类石墨烯材料的生产可能特别有前景。这些发现为开发简单、经济高效的方法开辟了新途径，可利用现有资源生产类石墨烯材料。我们有必要开展进一步的研究，以优化电压应用参数，并探索其他石墨基材料进行类似转换的潜力。

图1.用于实验的各种铅笔牌号。

图2.样品在不同电压下的物理外观变化：(a) 0 V 电压下的 6H 铅笔，(b) 200 V 电压下的 6H 铅笔，(c) 400 V 电压下的 6H 铅笔，(d) 0 V 电压下的 4B 铅笔，(e) 200 V 电压下的 4B 铅笔，(f) 400 V 电压下的 4B 铅笔，(g) 0 V 电压下的 14B 铅笔，(h) 200 V 电压下的 14B 铅笔，(i) 400 V 电压下的 14B 铅笔。

图3.模拟中使用的闪焦耳加热装置的简化电路图

图4.14B铅笔样品的拉曼光谱和光学显微镜分析。(a) 0 V时的拉曼光谱(b) 200 V时的拉曼光谱(c) 400 V时的拉曼光谱(d) 0 V时的光学显微镜图像(e) 200 V时的光学显微镜图像(f) 400 V时的光学显微镜图像。

图5.6H、4B 和 14B 铅笔样品在 0 V、200 V 和 400 V 电压下的拉曼光谱对比（a）0 V 电压下的拉曼光谱对比。