电子束 70 秒“闪炼”石墨炔：厦大团队常温常压近 100% 产率突破

导语
对科研人员而言，石墨炔（GDY）就像一张尚未完全展开的“碳元素画布”——sp 与 sp² 杂化赋予其可调控的带隙与极高载流子迁移率。然而，高活性单体、惰性气氛、数小时高温反应，一直把这张画布锁在实验室的通风橱里。7 月 17 日，厦门大学李剑锋团队在 Advanced Materials 发表最新成果，用一束高能电子束让稳定前体 HEB-TMS 在 70 秒内直接完成 GDY 构筑，产率逼近 100%，并同步获得 Cu₂O/GDY 异质结。中科精研为您拆解全文，并奉上可复现该“秒级合成”的实验级焦耳加热解决方案。

研究亮点

1. 70 秒一步反应：常温常压，无需脱保护。
2. 近 100% 原子经济性：HEB-TMS 完全转化为 GDY。
3. 原位生成 ~3 nm Cu₂O，均匀锚定在 GDY 表面。
4. 电催化硝酸盐还原（NO₃RR）氨产率 26 997 μg h⁻¹ mg⁻¹，法拉第效率 94%，30 h 零衰减。
5. 自由基-铜协同机理经 EPR 捕获与 DFT 验证，为电子束合成碳材料奠定理论基础。

图文解析

图 1 合成路线对比
a) 经典路线：HEB-TMS → HEB → GDY，惰性气氛、>6 h。
b) 免脱保护路线：仍需 180 ℃、有毒溶剂。
c) 电子束路线：常温常压、70 s、一步完成并负载 Cu₂O。

图 2 结构指纹
• 拉曼：2177 cm⁻¹ 炔键峰锁定 GDY 骨架；1935 cm⁻¹ Cu 配位红移峰酸洗后消失，佐证 Cu-C 电子耦合。
• 固态 ¹³C NMR：50 ppm（sp-C）、127 ppm（sp²-C）双峰符合理论化学计量。
• XPS：C 1s sp/sp² 面积比 ≈2:1；Cu LMM 569.9 eV 确认 Cu⁺ 价态。

图 3 原子级形貌
• TEM：层间距 0.36 nm。
• HRTEM：3 nm Cu₂O(200) 晶格清晰。
• HAADF-STEM 元素映射：C、O、Cu 均匀共域，无团聚。

图 4 机理剖析
• 溶剂筛选：DMF 产率 >99%。
• 剂量梯度：50 kGy 实现 HEB-TMS 完全转化。
• DMPO 捕获：产率骤降 91%，LC-MS 检出自由基加合物。
• DFT：Cu⁺ 介导脱硅路径 ΔG‡ = –33.1 kcal mol⁻¹，远低于直接均裂路径。

图 5 催化性能
• Cu 负载量火山图：30 mg Cu(OAc)₂ 为峰顶。
• 电位窗：–1.7 V vs. Hg/HgO，FE = 94%。
• 循环 30 h：电流密度与 FE 无衰减。
• DFT：Cu₂O/GDY 吸附能 –0.93 eV，决速步能垒降低 0.17 eV，源于界面电子协同。

总结与展望
本工作首次将电子束辐照引入碳材料合成，突破了时间、气氛、单体稳定性三重瓶颈，为 GDY 从“克级”走向“公斤级”奠定了绿色高效新范式。同时，原位生成的 Cu₂O/GDY 异质结为硝酸盐废水资源化提供了高活性、高稳定原型催化剂。未来，电子束剂量-结构-性能数据库与卷对卷连续化工艺将成为研究重点。

— 中科精研焦耳加热产品线速览 —

1. FJH 焦耳闪蒸加热装置
   • 升温速率：毫秒级（μs-ms）
   • 目标温度：2000 K–10000 K 区间可选
   • 典型应用：碳基二维材料瞬时烧结、高熵合金闪蒸合成、非晶-纳米晶快速淬火
2. HTL 焦耳高温长时加热装置
   • 升温速率：秒级
   • 可持续时间：小时级
   • 测温范围：100 ℃–3200 ℃ 分段智能可调
   • 典型应用：需要长时间高温保持的陶瓷烧结、金属玻璃弛豫、梯度功能薄膜热处理
3. HTS 焦耳超快加热装置
   • 升温速率：秒级
   • 单次循环：分钟级
   • 测温范围：100 ℃–3200 ℃ 分段智能可调
   • 典型应用：电极材料、催化剂粉体的快速焦耳热处理，兼顾产率与能耗平衡

— 与厦大电子束 GDY 工作的衔接 —
• 电子束策略的关键在于“瞬时能量注入”与“非平衡反应路径”。中科精研 FJH/HTS 系列同样通过大电流脉冲在极短时间内将样品温度推至 2000 K 以上，可在无惰性气氛保护下完成 HEB-TMS 的快速脱硅-偶联。
• HTL 系列则适合后续“Cu₂O/GDY 异质结”长时退火或梯度热处理，以调控 Cu 纳米颗粒尺寸及界面电子结构。
• 所有装置均开放温度-电流-时间工艺包接口，可直接对接原位拉曼、XPS、同步辐射实验平台，便于复现或拓展 GDY 基材料的秒级-公斤级制备研究。