石墨烯因其优异的力学、热学和电学性能在多个领域展现出广阔应用前景，然而传统制备方法如化学气相沉积、机械剥离和氧化还原法存在能耗高、原料不可再生、环境污染等问题，限制了其规模化与可持续发展。闪蒸焦耳加热作为一种新兴的绿色合成技术，具有能耗低、无需催化剂、反应快速等优势，尤其适用于从可再生生物质中制备高质量石墨烯，但目前研究多集中于木质纤维素类原料，对微藻这类碳负性、生长快、元素组成可调的前驱体研究尚不深入。
论文简介
2025年11月29日，贵州大学黄睿教授团队在《Bioresource Technology》期刊发表题为“Sustainable production of Microalgae-Derived turbostratic graphene via flash Joule heating”的研究论文。本研究以微藻为碳源，通过预处理与直流闪蒸焦耳加热相结合，系统探究了不同闪蒸时间对产物结构、性能的影响，旨在建立“能量–结构–性能”之间的关联机制。研究发现在500 ms闪蒸条件下可获得缺陷少、层间间距大、涡轮层结构显著的微藻衍生石墨烯，其在导电性、分散性、光热吸收及超级电容器性能方面均表现出优异性能，为生物质高值化与绿色石墨烯制备提供了新路径。
图文解读
图1：FJH系统示意图与微藻转化过程分析
图1展示了闪蒸焦耳加热反应器的结构组成、微藻向涡轮层石墨烯的转化路径，以及不同闪蒸时间下的温度、电压和电流曲线。结果表明，随着闪蒸时间延长，样品温度显著升高（最高达3600°C），电流峰值稳定在约120 A，说明实验具有良好的重复性。闪蒸时间与能量输入直接决定了碳源的石墨化程度与结构演变，为后续结构调控提供了基础。
通过拉曼光谱与XRD分析，系统评估了MDTG的结构演变。拉曼结果显示，随着闪蒸时间增加，I_D/I_G比值从0.78降至0.20，表明缺陷密度降低；MDTG-500在1880 cm⁻¹和2030 cm⁻¹处出现典型涡轮层峰（TS₁、TS₂），证实其纯涡轮层结构。XRD进一步显示MDTG-500的（002）衍射角左移至25.91°，层间距达0.344 nm，显著大于普通石墨，说明其具有优异的层间无序性与离子可及性。
XPS C 1s谱图显示，随着闪蒸时间延长，含氧官能团逐渐消失，sp²碳含量从61%升至82%，表明石墨化程度提升。元素分析表明，MDTG-500中碳含量达96.22%，氮、氧含量分别降至0.06%和3.40%，说明FJH过程有效去除了杂原子，促进了高纯度石墨烯的形成，并诱导了涡轮层堆叠结构。
MDTG-500在分散性测试中表现最佳，初始浓度10 mg/mL时分散浓度达3.39 mg/mL，优于工业石墨烯。其电导率在30 MPa下为63.8 S/cm，光热吸收率在200–2500 nm范围内平均达92%，显示出其在复合材料与能源转换领域的应用潜力。
MDTG-500表现出典型的双电层电容行为，在1–100 mV/s扫描速率下电容保持率达79.8%，面积比电容为84 µF/cm²，循环1000次后容量保持率仍为106%。EIS图谱显示其具有低等效串联电阻（0.6 Ω）和电荷转移电阻（1.5 Ω），说明其具备优异的电荷传输与离子扩散性能。
总结展望
总之，本研究通过优化闪蒸焦耳加热的闪蒸时间，成功实现了从微藻到高质量涡轮层石墨烯的可控制备。该策略利用微藻中氮、氧杂原子的挥发诱导晶格畸变，促进层间无序堆叠，形成具有大层间距、低缺陷密度的涡轮层结构。所得MDTG-500在导电性、分散性、光热吸收及电化学储能方面均表现优异，尤其在超级电容器中展现出高倍率性能与循环稳定性。该工作不仅为生物质资源的高值化利用提供了新思路，也为绿色、低成本石墨烯的可持续制备奠定了技术基础。未来可探索微藻种类调控、反应器放大优化以及与功能材料的复合应用，进一步提升其在实际器件中的性能与适用性。
文献信息：
Fuyuan Wang, Rui Huang, Yujie Yu, Shaojunyan Tan, Ruijie Yuan, Jianyong Yin, Shijie Zhang. Sustainable production of Microalgae-Derived turbostratic graphene via flash Joule heating. Bioresource Technology, 2025, 133729, ISSN 0960-8524. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133729.
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