石墨烯作为一种性能优异的新型材料，其规模化、低成本、高质量合成仍是制约其广泛应用的关键瓶颈。传统方法（如机械剥离、化学气相沉积）普遍面临能耗高、溶剂消耗大、产率低或过程复杂等挑战。近年来，利用固体废弃物通过闪蒸焦耳加热制备石墨烯展现出巨大潜力，但其微观形成机制，特别是冷却过程的动力学影响，尚不明确。论文简介近日，华北电力大学王春波教授团队在Energy期刊发表题为“The graphene formation via flash Joule heating: The effect of cooling rate”的研究论文。本研究通过ReaxFF MD模拟天然橡胶在高温闪蒸及后续冷却过程中的结构演化。研究证实冷却过程对石墨烯六元环结构的形成至关重要，发现较慢的冷却速率有利于获得高质量石墨烯，并揭示了潜在能量下降触发环化反应的两阶段形成机制。该工作从分子层面阐明了冷却速率对产物石墨烯结构有序度与环化完整性的调控规律，为理性设计高效、可控的闪蒸石墨烯合成工艺奠定了理论基础。
首先，采用ReaxFF-MD方法模拟了闪蒸焦耳热制备石墨烯的过程。结果表明，在闪蒸焦耳热过程中，天然橡胶的碳链结构转变为石墨烯六元环状结构。
然后，将闪蒸焦耳热过程分为恒温、降温两部分展开对比分析。恒温过程的产物保持碳链结构；而降温过程的产物呈现石墨烯环状结构。即使经过极长的恒温过程（9000ps），也未能诱导石墨烯环状结构形成，这说明降温过程在闪蒸石墨烯的形成中起着至关重要的作用。
为进一步探究闪蒸石墨烯形成过程中降温速率的影响，设置了一系列降温速率开展研究。降温速率的影响规律归纳为：（1）降温过程伴随分子势能降低，势能达到75000kcal/mol时环化反应启动；（2）超快降温速率下环化时间短，导致石墨烯品质较低；（3）石墨烯品质与环化时间相关，环化时间为1290ps时达到最高品质。
最后，分析了闪蒸石墨烯形成的全过程，阐明了冷却速率影响闪蒸焦耳热制备石墨烯过程的核心机制。通过闪蒸焦耳热形成石墨烯涉及两个关键机制：（1）碳源在瞬态高温下热解，表面释放出油和气；在闪蒸焦耳热的快速降温过程中，残留的焦炭形成石墨烯结构；（2）降温过程中体系势能降低，利于环化。势能降低至75000kcal/mol时，环化启动。
总之，本研究通过构建“闪蒸加热-可控冷却”的ReaxFF MD模拟策略，揭示了冷却速率调控闪蒸焦耳加热法制备石墨烯的微观机制：在瞬时高温热解形成焦炭前驱体的基础上，后续冷却阶段体系的势能下降触发了碳网络的环化反应，其启动阈值约为势能75000 kcal/mol。机制上，较慢的冷却速率（如0.44 K/ps）提供了充足的反应时间（~1294 ps），使环化得以充分进行，从而生成具有更多六元环、RDF特征峰更尖锐的高质量石墨烯；反之，超快冷却则因反应时间不足导致结构缺陷增多、质量下降。该研究从原子尺度明确了冷却动力学对产物结构的关键影响，为优化FJH工艺参数（尤其是冷却程序）以实现石墨烯的可控制备与性能提升提供了直接的理论依据和价值指引。未来可探索更宽范围的冷却路径、不同碳前驱体的影响，并将模拟预测与实验测量更精准地关联，推动该技术走向工业化应用。
文献信息：Mingfan Zhang, Dikun Hong, Tong Xu, Yao Zhang, Mengyang Sun, Chunbo Wang. The graphene formation via flash Joule heating: The effect of cooling rate. Energy, Volume 337, 2025, 138673, ISSN 0360-5442. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.138673.
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