研究背景
水泥工业约占全球CO₂排放的60%，且传统水泥基材料存在低抗拉强度、高脆性等结构缺陷。石墨烯作为二维纳米材料，具有优异的力学性能，可用于增强水泥基复合材料，但其传统制备方法成本高、工艺复杂、难以规模化应用。因此，开发低成本、高效率、可持续的石墨烯合成方法，并将其用于水泥材料的性能提升，成为当前材料与土木工程领域的重要研究方向。
文章概述
2025年12月20日，南京师范大学孟俊光副教授、江苏镇江建筑科学研究院集团有限公司蒙海宁等在Biomass and Bioenergy期刊发表题为“Sustainable graphene from biomass via flash Joule heating: An innovative approach for cement mechanical performance”的研究论文。本研究采用闪蒸焦耳加热技术，以稻壳、稻草和玉米秸秆为原料，快速制备了闪蒸石墨烯，并将其掺入水泥基复合材料中，系统评价了其对材料力学性能的增强效果。研究发现，玉米秸秆衍生的石墨烯因具有较大的片层尺寸、较高的结晶度和稳定的层间结构，在水泥基体中表现出最佳的分散性和增强效果，显著提升了复合材料的抗折与抗压强度，并优化了其微观结构与孔隙分布。
图文导读
图1：闪蒸焦耳加热装置示意图及样品反应前后形貌对比
图1展示了闪蒸焦耳加热系统的电路示意图和反应过程中样品高温闪蒸现象。该装置通过电容放电在毫秒级时间内产生超高温（>3000°C），使生物质炭中的碳原子重排形成石墨烯结构。反应前后生物质炭的形貌变化表明，FJH技术可实现快速、无溶剂的石墨烯转化，为后续结构表征与性能测试奠定了基础。
结论
总之，本研究提出了一种基于闪蒸焦耳加热的生物质石墨烯可持续制备策略，通过调控电压与时间参数，成功从玉米秸秆中制备出结构完整、层间距适宜的高质量乱层石墨烯。该石墨烯在水泥基体中通过填充微孔隙、促进C-S-H凝胶形成、桥接微裂纹等机制，显著提升了复合材料的力学性能与微观结构致密性。在0.12 wt%低掺量下，CS-FG使水泥复合材料的28天抗压与抗折强度分别提升41.85%和22.16%，展现出优异的增强效率与工程应用潜力。该研究不仅为生物质资源的高值化利用提供了新途径，也为低碳、高性能水泥材料的开发提供了材料基础与技术支撑。未来可探索FG在不同水泥体系中的长效耐久性、规模化生产工艺及其在多功能建筑材料中的应用。
文献信息
Xiaolian Su, Linyue Ge, Shan Huang, Xinye Wang, Hao Xie, Yiqiang Liu, Li Yi, Lingqin Liu, Junguang Meng, Haining Meng. Sustainable graphene from biomass via flash Joule heating: An innovative approach for cement mechanical performance. Biomass and Bioenergy, Volume 208, 2026, 108876, ISSN 0961-9534. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2025.108876.
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