闪蒸焦耳热设备制备石墨烯

在2024年，James M. Tour教授的研究团队在《Nature》杂志上发表了一篇开创性的论文，题为“Rapid and Large-Scale Production of Graphene through Flash Joule Heating”。该研究介绍了一种创新的闪蒸焦耳热技术，能在极短时间内将多种碳源，包括废料，转化为高质量的石墨烯。这一突破性的方法不仅简化了石墨烯的生产过程，还显著降低了成本，同时减少了对环境的影响。通过这种方法制备的石墨烯具有极低的缺陷浓度和优异的物理性能，为石墨烯在能源存储、复合材料和环境应用中的广泛应用铺平了道路。Tour教授的这一成果不仅为石墨烯的制备提供了一种新的高效方法，也为可持续材料的发展提供了创新性的解决方案。

介绍：闪蒸焦耳热技术（Flash Joule Heating, FJH）是一种创新的石墨烯制备方法。这项技术能够在不到一秒的时间内，将各种碳源（如煤炭、石油焦、生物炭、碳黑、废弃食物、橡胶轮胎和混合塑料废物）快速加热至3000K以上，从而直接合成克级石墨烯。这种方法不仅合成速度快、产率高，而且无需使用炉子、溶剂或反应气体，对环境友好，成本效益高，电能成本仅为每克7.2千焦耳，纯度超过99%，缺陷极低，具有出色的物理性能，可以用于强化多种复合材料。

 

▲图1 展示了闪蒸焦耳热设备布局的示意图。

 

闪蒸焦耳热石墨化介孔碳的结构：通过焦耳热反应系统的参数，调控并优化了石墨化介孔碳的结构。该材料作为钾离子电池具有优异的储能性质，和平面层状石墨负极相比，笼状结构的碳具有增强的张力应变能力，并且形成有利于离子快速输运的三维孔道结构，因而表现出优异的循环稳定性和倍率性能。

 

▲图2 通过闪蒸焦耳热的制备过程

 

石墨烯的掺杂

 

▲图3 通过调节聚苯胺（PANI）的厚度和焦耳加热过程中的放电电压，可以改变不同形态氮的含量，进而调控材料的电化学性能。

 

 

▲图4 通过闪速焦耳加热（FJH）技术将铜颗粒涂覆的碳层转化为石墨烯，制备出既具有良好的导电性也具备优异抗氧化性能的Cu/Gr@Gr材料。

 

石墨烯材料的修复

LIG的快速制备过程导致了产生固有的非晶特性，这会影响其电导率和机械性能。
通过闪蒸焦耳热技术，改善石墨烯的结晶率，提高电导率和降低结构缺陷。此外，闪蒸焦耳热技术能对煤沥青基石墨烯的结构缺陷、含氧官能团进行了有效调控，以调节煤沥青基石墨烯表面自由基浓度。

 

▲图5 激光诱导石墨烯

 

▲图6 FJH处理后石墨烯呈现更高的结晶率

 

结论

这一技术不仅提高了生产效率，还显著降低了成本，并且由于其环境友好的特性，减少了对环境的影响。FJH技术制备的石墨烯具有独特的涡轮层状结构，展现出优异的物理性能，为能源存储、复合材料、电子器件等领域的应用提供了广阔的前景。此外，该技术的可扩展性为石墨烯的工业化大规模生产铺平了道路，预示着石墨烯材料的新时代，为可持续材料的发展提供了创新性的解决方案。