碳材料作为人类文明演进的关键物质载体，从远古时代的木炭到如今的纳米碳结构，其发展史折射出人类对物质微观结构的认知深化与技术创新。以石墨烯、碳纳米管为代表的第四代碳材料，凭借其卓越的电学、力学与热学性能，在新能源、柔性电子及高效催化等前沿领域展现出巨大潜力。然而，传统合成方法如化学气相沉积与氧化还原法，普遍存在能耗高、周期长、污染重等瓶颈，难以兼顾高性能与低碳目标，严重制约其规模化应用。
论文概要
本综述系统梳理了闪速焦耳加热这一新兴技术在碳材料合成中的研究进展与应用前景。文章从技术原理与反应装置设计出发，深入探讨了不同碳源的选择与预处理策略，重点总结了该技术在闪速石墨烯、碳纳米管、石墨烯纤维及硬碳等关键材料制备中的最新成果。研究表明，通过调控闪蒸电压、时间等参数，可实现材料微观结构的精确优化，进而显著提升其在复合材料增强、电化学储能及催化等领域的性能。尽管目前该技术仍面临产率偏低、均匀性不足及规模化挑战，但其独特的“溶剂-催化剂零使用”与“秒级反应”特性，为碳材料的绿色制造与废弃物高值化转化提供了极具潜力的技术路径。
文章要点
- 首创“热电耦合”合成机制，突破传统碳材料制备范式
本文揭示了FJH技术独特的电场-温度场协同作用机制，通过建立103–104 V/m电场强度与104–105 K/s超快热场的耦合环境，显著降低碳原子重排的活化能。这一机制不仅使石墨烯产率提升至90%以上（传统热场仅20%），更实现了AB堆叠向涡轮层堆叠的定向调控，获得层间距达0.335 nm的独特结构。该发现突破了传统热解法仅依赖温度场的局限，为碳材料精准制造提供了全新理论框架。
- 实现“废弃物-高值材料”的颠覆性转化路径
研究系统验证了从生物质、塑料废弃物等低值碳源直接合成高性能碳材料的可行性。通过开发AC-FJH预处理与PWM精准控温技术，将混合塑料转化为比表面积874 m²/g的多孔石墨烯，其电导率高达25,300 S/m，同时副产94%纯度氢气。这种“一废多产”模式使每吨废弃物处理净收益282美元，相比传统焚烧减排83%，建立了全新的碳循环经济范式。
图6 | FJH一步合成功能化闪速石墨烯的策略与结构： (A) 异质元素（N, B, S等）掺杂FG的合成示意图；(B) 不同掺杂组合中的元素含量比例；(C) 以碳酸钾为造孔剂，从烟煤合成三维多孔FG的示意图；(D) 不同闪蒸电压下所得3D PFG的孔径分布曲线。这些结果证明了FJH技术在单一步骤中实现化学成分与孔隙结构精准调控的强大能力。
- 建立超快速、低能耗的材料制造技术体系
本文证实FJH技术可在毫秒级时间内完成传统工艺需数小时的材料合成过程，将石墨烯制备能耗降至14 MJ/kg，不足氧化还原法的1/50。通过模块化反应器设计与多物理场耦合，成功实现从实验室克级到吨级产业的线性放大，解决了纳米材料规模化生产的世界性难题。该技术体系为碳材料在储能、催化等领域的低成本应用奠定了产业化基础。
总结展望
总之，闪蒸焦耳加热技术通过毫秒级超高温热电耦合场驱动碳原子重排，实现了无溶剂、无催化剂条件下高性能碳材料的绿色合成，其产率提升关键在于调控热解动力学参数与引入化学抑制剂以抑制碳原子逃逸，将碳保留率从不足30%显著提升；基于电流诱导的取向生长机制与3D互联结构工程，该技术成功突破微米级粉末向宏观均匀材料的尺度跨越，为解决柔性器件中导电网络不连续性问题提供了新方案；通过多物理场协同能量传递系统集成，在维持温度场均匀性的同时将单批次产能提升至吨级水平，结合可再生能源供电使每千克石墨烯能耗降至14MJ、碳排放仅2.41kg，较传统方法降低90%以上；这些突破性进展使FJH材料在复合材料增强、电化学储能及环境修复等领域展现出巨大应用价值，未来可探索跨尺度结构调控与绿电供能系统的深度融合路径。
文献信息
Review of Flash Joule Heating for the Synthesis of Graphene and Other Functional Carbon Materials. Zhiwu Tan;Faisal Mahmood;Mengzhen Tian;Yimeng Li;Qingfa Zhang;Zhong Ma;Mingfeng Wang;Weiwei Liu;Shihong Zhang;Haiping Yang;Bin Li. ISSN: 2096-9570 , 2637-9368; DOI: 10.1002/cey2.70119
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