浙江大学Environmental Research：闪蒸焦耳热毫秒级将炭黑转化为石墨烯，低碳水泥强度提升161%

研究背景

有机固体废弃物（如塑料）的全球年产量已超过4亿吨，其高效处理与资源化利用是环境可持续发展的重大挑战。热解技术虽能将有机废物转化为能源，但副产物——热解炭黑（PCB）因石墨化程度低、灰分含量高，长期局限于轮胎填料、工业颜料等低值应用。与此同时，传统石墨烯合成方法（如机械剥离、化学还原、化学气相沉积）存在耗时长、成本高、使用化学溶剂等问题，且所得石墨烯在水泥基体中易团聚，限制了其在建筑材料中的规模化应用。因此，如何将低品质炭黑高效转化为高质量石墨烯，并用于增强低碳水泥基复合材料，成为兼具固废高值化与建筑碳减排双重意义的关键科学问题。

论文概要

2026年04月14日，浙江大学王磊团队在《Environmental Research》期刊发表题为“Green Synthesis of Graphene by Flash Joule Heating for Reinforcing Low-carbon Cement-based Composites”的研究论文。

DOI：10.1016/j.envres.2026.124516

本研究采用闪蒸焦耳热（FJH）技术，在毫秒级时间内将廉价炭黑转化为高质量闪蒸石墨烯（FG），并将其用于增强粉煤灰（PFA）基低碳水泥复合材料。该技术利用高电压电容放电产生毫秒级脉冲电流，在样品内部形成极端热瞬态（峰值温度>3000 °C，加热/冷却速率分别达3.37×10⁴ °C/s和4.45×10³ °C/s），驱动碳原子键的快速断裂与重排，同时挥发非碳元素，从而在毫秒内将廉价炭黑转化为高质量闪蒸石墨烯（FG）。通过优化放电参数（200 V，0.5 s），所制FG具有涡轮层堆叠结构、层间距扩大（0.343 nm）、缺陷极少（ID/IG低至0.05）、sp²碳纯度高达96.15%。将该FG用于增强粉煤灰（PFA）基低碳水泥复合材料，结果表明：添加0.20 wt.% FG可使水泥28天抗压强度提升161%，并加速水化反应、优化孔结构。生命周期评估显示，FG增强水泥可减少30%碳排放，性能-成本指数提升144%。该研究实现了固废高值化与低碳建材开发的有效耦合。

图文解析

图1. 闪蒸石墨烯（FG）的闪蒸焦耳热（FJH）制备流程示意图。

该图展示了从炭黑到闪蒸石墨烯的FJH制备流程：将炭黑填入石英管中，两端由石墨块密封并施加压力以控制电阻；在真空条件下（0.01 MPa），电容器组瞬时放电，产生毫秒级高电流脉冲，使样品在极端高温（>3000 °C）下快速转化为FG。整个过程无需溶剂，加热/冷却速率可达10⁴ °C/s量级，体现了FJH技术的高能效与绿色特性。

总结展望

总之，本研究提出并验证了“绿色合成→微观调控→性能增强→低碳应用”的完整策略：采用闪蒸焦耳热技术，在200 V、0.5 s条件下将廉价炭黑高效转化为具有涡轮层结构、层间距扩大（0.343 nm）、缺陷极少（ID/IG低至0.05）和高碳纯度（sp²碳96.15%）的闪蒸石墨烯。该FG因其优异分散性，在水泥基体中充当成核位点，加速C-S-H凝胶生成，并通过填充孔隙、桥接微裂纹显著优化孔结构，从而在0.20 wt.%掺量下实现28天抗压强度提升161%。生命周期评估进一步证实，该复合材料可减少30%碳排放并提升144%的性能-成本指数，兼具环境与经济效益。未来可探索不同炭黑来源对FG质量的影响、FG-水泥复合材料在恶劣环境下的长期耐久性，以及FJH工艺的工程化放大与水泥生产线兼容性。