百毫秒超3000 K！废塑料秒变石墨烯、碳管，赋能储能

　　2026年10月13日，山西大学朱胜教授、韩高义教授团队与苏州大学倪江锋教授合作在《EnergyChem》期刊上发表题为"Ultrafast Joule heating synthesis of carbon nanomaterials for electrochemical energy storage and conversion"的综述论文。该研究针对传统碳材料热处理"耗时长、能耗高、设备复杂、难放大"的痛点，系统梳理了超快焦耳热技术——利用碳材料自身电阻，在毫秒至秒级内升温至 3000 K 以上——快速合成石墨烯、碳纳米管、硬碳、多孔碳及碳基复合材料的最新进展，并全面盘点其在超级电容器、锂/钠/钾/锌离子电池以及 HER、OER、ORR、CO₂RR 电催化中的性能突破，为碳材料的快速、节能、低碳规模化制造绘制了完整路线图。

【研究背景】

　　1. 碳材料是储能体系的"骨架"

　　兼具高导电性、可调比表面积与优异化学/热稳定性，既可独立充当电极，也可作为载体分散活性物种，是超级电容器、金属离子电池与电催化的核心材料。

　　2. 传统热加工"又慢又费电"

　　化学气相沉积（CVD）、微波加热、激光烧蚀、火焰法等主流路线普遍存在高能耗、长耗时、设备复杂、难以放大的短板，处理低值或废弃碳源时尤其吃力。

　　3. 焦耳热"变废为宝"

　　2016 年，研究者用电流退火在 2750 K 下制得高导电还原氧化石墨烯（rGO）膜；2020 年 Tour 团队提出闪蒸焦耳热（FJH），1 秒内将煤、废塑料等转化为克级石墨烯，无需炉体、溶剂与反应气体。

　　4. 三道坎仍待跨越

　　热过程的精确控制、规模化放大与可持续性验证尚未解决，亟需系统综述梳理"机理—材料—应用"全景，这正是本文的切入点。

【研究方法】

　　1. 物理本质：焦耳第一定律 Q = I²Rt**

　　电流通过导电材料时，电子与晶格碰撞将动能转化为热；热量与电流平方成正比，"拧电流旋钮"即可精确编程温度，电—热转换效率常超过 90%。

　　2. 两种加热范式与两种直接模式

　　间接加热由外置电阻元件传热，兼容绝缘材料；直接加热让样品自身发热，又分快速焦耳热（RJH，秒至分钟级、<3000 K）与闪蒸焦耳热（FJH，电容放电驱动、毫秒级、>3000 K）。

图1：直接焦耳热的两种主要模式示意图

　　3. 非平衡"时间窗口"

　　超过 10³ K s⁻¹ 的升降温速率让体系来不及达到热力学平衡，可"冻结"亚稳相、定向保留或修复缺陷，实现传统炉体无法完成的结构调控。

　　4. 综述版图：材料—应用全景

　　以焦耳热为轴心，向外辐射石墨烯、碳纳米管、硬碳、多孔碳与碳基复合材料五大材料家族，再延伸至储能与能量转化两大应用板块。

图2：焦耳热技术制备多种碳材料及其应用示意图

【研究结果】

　　1. 秒级合成：废料一步变石墨烯

　　FJH 在约 100 ms 内将炭黑、煤乃至废塑料转化为涡轮层状闪蒸石墨烯；3000 K 被确认为获得高质量石墨烯的临界温度，产物碳纯度 >99%、产率 80–90%。废塑料还可一步转化为碳纳米管，较 CVD 路线累计能耗降低 86–92%。

图3：FJH 合成闪蒸石墨烯的表征

　　2. 结构调控赋能储能：硬碳闭孔与多孔碳

　　"预碳化 + FJH"两步法在生物质硬碳中造出丰富闭孔与扩展层间距，缩短 Na⁺ 扩散路径；煤基硬碳可逆容量达 274 mAh g⁻¹。多孔碳方面，热冲击产物比电容达 284.6 F g⁻¹（0.5 A g⁻¹），对称器件万圈循环保持 98%；FJH 活化碳更达 313.7 F g⁻¹，万圈保持 99.8%。

图4：FJH 制备生物质衍生硬碳的表征与应用

图5：快速焦耳热合成超级电容器电极

　　3. 金属离子电池：快充与再生兼得

　　锂电中，"碳化硅铆钉"锚定的 F-Si@rGO 负极千圈后仍保持 894.95 mAh g⁻¹，平均每圈衰减仅 0.0216%；铌钨氧化物（Nb₁₄W₃O₄₄）20 C 快充 3000 圈保持 80.6%。钠电硬碳、钾电石墨化碳纳米笼（298.7 mAh g⁻¹）、锌电界面碳层（稳定运行 3500 h）均验证平台普适性；FJH 还可再生废旧石墨并同步回收锂、钴、镍、锰。

图 6：超快焦耳热合成高性能锂离子电池正负极材料

　　4. 电催化：毫秒级"锻造"活性位点

　　HER 方向，FJH 制备的铂单原子催化剂过电位低至 8 mV（10 mA cm⁻²），"锁子甲"结构催化剂稳定运行 500 h；ORR 半波电位达 0.904–0.91 V；CO₂RR 法拉第效率最高 96%（工业级电流密度 370 mA cm⁻²）；55 ms 热冲击即可合成八元高熵合金纳米颗粒。

图 7：先进氧还原反应电催化剂的设计与合成

【展望】

　　1. 系统放大

　　从批次合成走向连续化、智能化制造，发展公斤级均匀温场反应器，集成高速测温与原位光谱的 AI 反馈闭环。

　　2. 材料创新

　　编程化设计分级孔隙、掺杂图案与晶区分布，拓展碳—无机异质结构、复杂配位单原子催化剂与多元高熵体系。

　　3. 机理解码

　　借助时间分辨 XRD、原位电镜与同步辐射等多尺度手段，揭示超快热—电动力学，把"经验试错"升级为"预测性合成"。

　　4. 性能与可持续双验证

　　在全电池真实工况下完成万次级长循环、对标商业材料；以全生命周期评估量化碳足迹，构建"废料进、材料出、闭环回收"的绿色制造链。

图 8：焦耳热合成碳材料的未来研究前沿

　　　　来源：焦耳热超快合成