近日，清华大学环境学院邓兵、刘建国团队合作提出一种绿色、高效的两步式闪速焦耳加热（Flash Joule Heating）技术，可在数秒内将沼渣转化为高质量石墨烯复合材料。整个过程无需溶剂、无需复杂预处理，可直接在沼气工程现场部署，实现废物的“就地升级”。2026年1月16日，相关研究成果以“Ultrafast flash Joule heating upcycles biogas residue into high-quality, sustainable graphene composite materials”为题，发表在Cell Press细胞出版社可持续发展期刊One Earth上。
研究亮点
- 发明了一种无溶剂两步闪速焦耳加热技术，能在2秒内将多种厌氧消化残渣快速转化为高质量石墨烯复合材料。
- 利用牛粪沼渣中原有的金属铁，制备出金属颗粒锚定石墨烯的杂化材料，其氧还原反应性能优于商用碳材料。
- 该工艺相比传统的剥离方法，可实现高达90%的生命周期能耗与碳排放削减及95%以上的操作成本降低。
- 为多种沼渣建立了一条快速、低成本、可现场实施的升级循环路径，实现有机固废的闭环管理与高值化利用。
文章简介
在全球推进“双碳”目标和清洁能源转型的背景下，如何以低成本、低能耗方式制备先进材料成为关键科学挑战。随着厌氧消化产业快速发展，沼渣产量持续攀升，这类含碳固废既难处置又易造成环境压力，但同时蕴藏着可再利用的碳与金属资源。
清华大学环境学院邓兵、刘建国团队合作提出一种绿色、高效的两步式闪速焦耳加热（Flash Joule Heating）技术，可在数秒内将沼渣转化为高质量石墨烯复合材料。整个过程无需溶剂、无需复杂预处理，可直接在沼气工程现场部署，实现废物的“就地升级”。利用沼渣中的铁与碳源制备的铁-石墨烯复合材料在氧还原反应中性能优于商业碳材料，为燃料电池等清洁能源技术提供更高效、低成本的催化剂。生命周期分析表明，与传统石墨烯制备路线相比，该技术可降低超过90%的能耗、成本与碳排放，为农业固废的高值化利用提供了全新模式。该新进展不仅化解了沼渣带来的环境压力，也为先进材料的绿色制造开辟了可持续的技术路径，展示了废物资源化与清洁能源创新融合的重要前景。
图1 研究内容示意图
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请邓兵研究员进行了专访，为大家进一步详细解读。
CellPress：请问是哪些重要因素，促使您将生物沼气残渣、闪速焦耳热、以及高附加值石墨烯复合材料这三个看似无关联的元素联系在一起，并开展了此项研究？
邓兵研究员：这项研究的起点，源于我和刘建国教授一次基于专业互补的深入交流。刘建国教授在有机固废资源化领域积淀深厚，尤其关注沼渣这类难处理废物的出路问题；而我长期聚焦于闪速焦耳加热这一前沿热转化技术。我们共同意识到，如果将他在废弃物特性与资源化需求上的深刻理解，与我在瞬时、高效能量精准转化利用技术上的专长相结合，或许能开辟一条全新的废弃物升级路径。于是，我们决定以沼渣这一典型复杂有机固废为对象，尝试利用闪速焦耳加热技术，一步将其转化为具有催化功能的石墨烯基复合材料。这次合作是一次“问题”与“技术”的精准对接：用前沿的能量控制手段，去破解实际的产业与环境难题，最终实现了从复杂残渣到高性能绿色材料的快速、低碳转化。
CellPress：请问您在进行本研究的过程中遇到了哪些困难，又是如何克服的？
邓兵研究员：本研究首先面临的核心挑战是沼渣作为非均质有机固废，其含水率、灰分及金属种类与含量等关键参数因来源不同而存在显著差异，这直接影响闪速焦耳加热过程的稳定性及产物石墨烯材料的一致性。事实上，固体废物的非均质性是其资源化利用的最大瓶颈问题。为应对该问题，我们系统分析了多源沼渣的物理化学特性，并建立了包含电导率、热解行为等在内的关键参数数据库，进而针对不同性质的沼渣提出了差异化的闪速焦耳加热工艺策略，系统调控了电压、电流、脉冲时间等参数，为后续稳定制备高性能复合材料奠定了基础。
CellPress：我们国家最新的十五五计划中，特别强调了新质生产力的重要性，尤其是建立在可持续发展基础上的生物制造和先进材料方面。在此背景下，您能否简述一下本研究所呈现的几个重要新发现的意义，尤其是通过利用创新科技-产业融合，推动科技现代化？
邓兵研究员：我国“十五五”规划强调以绿色低碳为基础的新质生产力，尤其关注生物制造与先进材料的发展。本研究正契合这一方向，主要贡献体现在三点：第一，我们提出两步式闪速焦耳加热技术，将复杂沼渣秒级转化为高质量石墨烯复合材料，为农业固废高值化提供了全新路径。第二，利用沼渣自带金属构建的铁-石墨烯催化剂展现优于商业碳材料的氧还原性能，为燃料电池等清洁能源技术提供了低成本的可持续材料。第三，技术评估显示该工艺可削减90%以上能耗、碳排放和成本，具备现场化与产业化潜力。这一成果通过“废物资源—先进材料—清洁能源”的链式创新，为绿色技术与产业深度融合提供范例，有望促进我国新质生产力加速形成。这一技术也预期有良好的可推广性，可以应用于多种不同类型的生物质基有机固废的升级利用。
CellPress：基于该研究的成果，您和您的团队后续有意围绕哪些研究方向开展相关工作？
邓兵研究员：我们团队将沿着“固废资源化—先进材料—清洁能源”这条技术链继续拓展。首先，将进一步开发针对不同类型有机固废的定制化闪速电热转化策略，提升工艺的普适性与连续化水平。其次，我们计划深化石墨烯复合材料在清洁能源电催化转化等领域的应用研究，探索更高活性、更高稳定性的催化体系。同时，我们也准备与相关企业合作，推进闪速焦耳热技术固废资源化利用的装备化和产业化示范，将实验室技术转化为实际的生产方式。我们最终目标是建立可规模化推广的基于废物的绿色材料制造平台，服务国家资源循环利用与清洁能源发展需求。
CellPress：您是否愿意分享当时是哪些因素让您选择投稿One Earth？
邓兵研究员：我们之所以选择将成果投稿至One Earth，主要源于其办刊理念与本研究的高度契合。One Earth不仅强调科学研究的严谨性与跨学科深度，更关注成果在推动循环经济、绿色转型与可持续发展中的实际价值，这与我们工作的目标高度一致。在准备投稿时，我们也注意到众多领域内的知名学者曾在该刊发表具有重要影响力的跨学科研究，进一步强化了我们对期刊定位的认同。此外，投稿过程中，编辑团队的高效专业以及审稿人深入细致的评议，也让我们深切感受到One Earth对高质量科研的重视，这些因素共同促使我们坚定地选择了这一期刊。
作者介绍
徐明月（论文第一作者），清华大学环境学院2023级在读博士生，从事餐厨垃圾、厌氧消化沼渣等有机固废资源化相关研究，以第一作者发表SCI论文12篇。
邓兵（论文通讯作者），清华大学环境学院特别研究员、博士生导师、课题组长。研究成果共发表论文70余篇，其中30余篇以第一/通讯作者发表于One Earth, Nature Sustain., Nature Chem. Eng., Nature Rev. Clean Technol., Nature Commun., Science Adv.等期刊，申请或获授权专利40余项，担任Chem Engineering和Discover Sustain.编委。主要研究方向为开发新型低碳电气化技术用于资源循环利用、战略关键金属回收以及清洁能源催化材料制备。
刘建国（论文通讯作者），清华大学环境学院教授、博士生导师，现任清华大学环境学院固体废物污染控制与资源化教研所所长。主持固废资源化领域国家重点研发计划、国家科技支撑计划、“863”计划项目、国家自然科学基金项目以及地方政府、国际机构、重点企业委托的多项重要研究课题，主要研究方向为生活垃圾分类处理技术与管理体系、有机固废资源能源回收与土地利用技术、复合危险废物/污染场地治理技术等，在重要学术期刊和国际会议发表学术论文150余篇。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊One Earth，
论文标题：Ultrafast flash Joule heating upcycles biogas residue into high-quality, sustainable graphene composite materials
论文网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590332225003835
DOI：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2025.101557
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