引言

在材料科学、环境工程与能源循环利用的研究中，研究人员长期面临一个共同难题：如何在有限的能耗下，快速、高效地制备新型材料或分解复杂废弃物。

传统的热处理手段，例如管式炉、马弗炉，在科研中依然常见，但它们存在天然的瓶颈：

• 升温和降温速率慢（通常仅 0.1–10 K/s）；

• 热传导依赖炉壁和空气，效率低；

• 能耗高，操作周期长；

• 很难实现对纳米尺度材料的精准结构控制；

• 对某些“难处理”的物质（如全氟化学品、光伏废弃物）几乎无能为力。

近年来，闪蒸焦耳热（Flash Joule Heating, FJH）逐渐进入学界视野。这一方法最早因石墨烯的快速合成而受到关注，如今已扩展至金属玻璃、合金、半导体、陶瓷、环境污染物处理 等多个领域。

其核心特征在于：

• 毫秒到秒级即可将样品加热到 2000–3000 ℃；

• 冷却速率高达 10⁵–10⁶ K/s；

• 能量直接作用于样品本身，而不是依赖炉壁传导；

• 电能利用效率高，无需气体或溶剂，避免二次污染。

因此，FJH 被认为是一种绿色、高效、适合探索新材料与废弃物处理的科研方法。

更令人关注的是，近期三篇发表在 ACS Nano、Nature Water 和 Energy & Environmental Science 的论文，分别从 新型材料合成、污染治理和能源废弃物回收三个方向，展示了FJH的广泛应用前景。接下来，我们将逐一分析这三篇论文，从创新点和方法两个维度出发，结合其研究意义，看看为什么它们能引发科研界的广泛关注。

案例一：FJH 合成金属玻璃纳米颗粒

（ACS Nano, 2025，影响因子 ~16.4）

1.1 研究背景

金属玻璃（Metallic Glass, MG）是一类兼具金属与玻璃双重特性的材料。它们通常表现出：

• 高强度（部分合金可比钛合金更强）；

• 良好的硬度和耐腐蚀性；

• 高催化活性，尤其在电化学反应中表现突出。

然而，如何在纳米尺度上制备均一、全非晶态的金属玻璃颗粒，一直是科研难点。传统的合成方法（如熔融-快冷、化学还原、气相沉积等）通常面临：

• 工艺复杂，步骤繁多；

• 难以避免晶化；

• 粒径和形貌难以精确控制。

1.2 创新点

这篇ACS Nano 论文研究展示了：

• 利用 FJH 单步合成 出 完全非晶态的金属玻璃纳米颗粒；

• 成分覆盖 Pd–P、Pd–Ni–P、Pd–Cu–P 等合金体系；

• 粒径可控，最小平均直径仅 2.33 ± 0.83 nm；

• 拓展了金属玻璃在催化、电化学等领域的潜在应用空间。

图1： 展示了传统加热与FJH（闪蒸焦耳热）过程的对比示意图。传统方法冷却速率极低（约0.1 K/s），容易导致结晶；而FJH能够在极短时间内实现升温与快速冷却（约1000 K/s），从而实现金属玻璃的形成。温度-时间曲线进一步说明了FJH可避开结晶区，实现非晶态合金的形成。

 

图2： 热成像分析FJH过程。2a显示了基底在加热前后的外观变化；2b给出了不同时间点的热成像分布，最高温度超过1100 K；2c展示了温度随时间变化的曲线，并与文献中的Pd-Ni-Cu-P合金TTT图对比，证实其冷却速率足以避免结晶。

案例二：FJH 矿化“永久化学品”PFAS

（Nature Water, 2025，影响因子 ~24.1）

2.1 研究背景

全氟和多氟烷基物质（PFAS），俗称“永久化学品（Forever Chemicals）”，因其稳定的 C–F 键，被广泛应用于防水、防油材料以及灭火剂、涂层、包装等领域。
然而，它们难以自然降解，已被检测到存在于饮用水、土壤和人类血液中，对健康构成威胁（与癌症、免疫抑制等疾病相关）。

传统治理手段：

• 吸附（活性炭、离子交换树脂）；

• 高温焚烧；

• 光催化或电化学降解。

这些方法不是效率低、能耗高，就是容易产生二次污染。

2.2 创新点

该研究提出：

• 采用 FJH 在 1 秒内矿化 PFAS，效率 >99%；

• 氟原子被固定为 NaF 或 CaF₂，安全稳定；

• 吸附剂活性炭同步转化为 闪蒸石墨烯，为处理过程提供经济回报。

这是首个实现污染治理与资源回收相结合的实验案例。

图1： 展示了闪蒸焦耳热（FJH）处理 PFAS-GAC 的实验流程与结果。a 为实验装置示意图，说明石英管、O 型圈和电极的结构。b、c 分别展示了典型实验下的电流曲线与温度变化，温度在 1 秒内迅速升至 3000 °C 以上。d 总结了 FJH 对 PFOA/PFOS 的降解效率：>90% 的氟被矿化为无机氟化物，PFAS 去除率 >99.9%。

 

图4： 生命周期评估（LCA）与技术经济分析（TEA）。a 能耗比较，FJH 与焚烧能耗接近，但远低于球磨、溶剂再生和微波再生。b 温室气体排放比较，FJH 与焚烧、球磨相近，但显著低于其他方法。c 经济评估结果显示，FJH 因副产石墨烯具有明显的盈利潜力。d 雷达图综合比较能耗、排放、成本、试剂消耗和废物产生，FJH 在整体环境与经济效益上优于其他工艺。

案例三：FJH 回收废弃光伏硅制备SiC

（Energy & Environmental Science, 2025，影响因子 ~35.1）

3.1 研究背景

随着光伏产业的快速发展，废弃光伏组件正逐渐成为全球性难题。据预测，到 2050 年，全球累计废弃 PV 模块量将超过 8000 万吨。

传统回收方法：

• 机械粉碎 + 筛分，效率低；

• 高温热解，能耗高且排放污染；

• 化学回收，步骤繁琐，副产液体废物难处理。

3.2 创新点

该研究展示了 FJH 在废光伏回收中的新路径：

• 将废硅电池粉末与碳黑混合，经 FJH 反应生成 高纯度 β-SiC（96–98%）；

• 与传统工艺相比：能耗降低 75%，碳排放减少 68%；

• 同时实现了杂质金属的蒸发去除，提高了产物纯度。

图1： 展示了闪蒸焦耳热（FJH）实验的整体流程，包括石英管装样、放电前后对比，以及在130 V输入电压下电流随时间的变化曲线和实际温度曲线，说明了FJH过程中样品在毫秒级内快速升温至2000 ℃以上并迅速冷却的特征。

图5： 对比了三种废弃光伏组件回收方法：化学回收（CR）、热回收（TR）和FJH。工艺流程图、能耗、温室气体排放和经济性分析显示，FJH在能耗上比CR低75%、比TR低49%，温室气体排放减少幅度达68%和36%，且成本效益比最高，显示出显著的环境与经济优势。

微迈焦耳热：科研探索的实验室平台

三篇国际顶刊论文充分展示了闪蒸焦耳热设备的科研价值：在材料领域，它成功合成了难以制备的金属玻璃纳米颗粒；在环境领域，它实现了对顽固污染物 PFAS 的高效降解，并推动废物资源化利用；在能源领域，它则通过回收废弃光伏材料制备出高价值的 SiC。这些成果表明，FJH 不仅具备跨学科的应用潜力，也为科研探索提供了全新的思路。要在实验室中复现和拓展这些研究，离不开可靠的设备平台——佛山微迈推出的闪蒸焦耳热设备，正是为科研人员量身打造的实验工具，能够助力高水平研究顺利开展，为科研人员提供了一个可控、可靠的平台，让这些研究方向在实验室中触手可及。我们诚挚邀请各科研院校老师，与我们一起探索闪蒸焦耳热的更多可能，让科研成果更高效地走向应用。

技术参数

极快升温：1s内升温至 3000 ℃，大幅缩短实验周期。

精准可控：温度实时监测，升温/保温/降温全流程可控。

多样兼容：支持粉末、薄膜、块体，多种材料一机适用。

智能操作：触屏一键控制，实验数据自动记录与导出。

安全可靠：完善的短路保护与紧急停机，实验更安心。

应用场景

新材料研发：快速合成合金、陶瓷、碳基材料，探索极端条件下的新相与结构。

环境治理：高效分解“永久化学品”、煤飞灰重金属去除，绿色无二次污染。

能源回收：废光伏、废塑料等高值化利用，转化为 SiC、石墨烯、氢气等材料。

储能材料：生物质、碳源快速转化为电池电极材料，提升性能与循环寿命。

闪蒸焦耳热设备

文献来源：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02173

https://doi.org/10.1038/s44221-025-00404-z

https://doi.org/ 10.1039/d5ee01509j