2026年5月26日，清华大学邓兵、刘建国团队在《Environmental Science & Technology》期刊发表题为”Phytogenic Self-Conducting Flash Joule Heating Converts Rare-Earth Hyperaccumulator Biomass into Graphene Composites with Minimized Life-Cycle Impacts”的研究论文。该研究面向清洁能源技术对稀土元素（REEs）的巨大需求与传统开采污染严重的矛盾，以植物为媒实现稀土的绿色回收——选取稀土超富集植物乌毛蕨（含铈0.76%）为原料，开发出植物自导电焦耳加热（PSC-FJH）新策略，仅用1.4秒低温（600°C）碳化加上0.4秒高温（2600°C）闪烧，便将”非导电植物”直接转变为高导电的CeO₂-石墨烯电催化剂。该材料氧还原反应（ORR）活性超越商业炭黑，生命周期评估（LCA）显示能耗降低超70%，为稀土资源化与碳材料绿色合成提供了创新方案。
研究背景
1. 稀土需求的”绿色悖论”
稀土元素是清洁能源与电子技术的”筋骨”，但传统开采依赖熔炼-浸出工艺，造成栖息地破坏、强酸渗漏和二次污染。如何兼顾稀土供给与生态安全，是全球面临的紧迫挑战。
2. 植物采矿：从土壤到实验室的鸿沟
与其”挖”，不如”种”——某些植物能选择性富集土壤中的稀土，含量可达普通植物的数百倍。然而收割后的植物生物质如何高效、绿色地转化为功能材料，始终是卡脖子的技术瓶颈。
3. 闪蒸焦耳加热：快但不完美的新技术
闪速焦耳加热（FJH）能在毫秒级实现超高温，是近年碳材料合成的革命性技术。但一大痛点始终未解：原始植物不导电，必须外加炭黑等导电剂才能触发电加热——这就像”无抵押不贷款”，多了一道工序和成本。
4. 植物体内的”天然催化剂”密码
惊人的是，植物体内的稀土元素与多酚、羧酸根等有机基团天然配位，碳化后可原位转变为高度分散的纳米氧化物（如CeO₂），这些粒子恰好是氧还原反应（ORR）的活性中心。关键问题：如何”一键激活”这一天然优势？
研究方法
1. PSC-FJH两步闪烧策略
研究团队提出”植物自导电快速焦耳加热”（PSC-FJH）策略：第一步低温闪烧（LT-FJH，~600 °C，1.4 s）将绝缘植物快速碳化为导电生物炭；第二步高温闪烧（HT-FJH，~2600 °C，0.4 s）将生物炭石墨化为少层石墨烯，同时植物内源性Ce原位氧化为CeO₂纳米粒子。两步合计仅约2秒，无需任何外部导电添加剂。
图1：赛因焦耳热装置及FJH处理过程
图2：PSC-FJH 工艺流程示意图
2. LT-FJH低温闪烧：从绝缘体到导体
将干燥乌毛蕨（Blechnum orientale, BO）置于石墨舟反应器中，抽真空后施加脉冲电流。1.4秒内温度升至600 °C，植物木质素快速热解，挥发出小分子后形成多孔碳骨架。关键突破：生物炭电阻率降至~0.052 Ω·m，比传统碳化低近一个数量级，实现了”自我导电”。
图3：LT-FJH 和 HT-FJH 过程中的质量流图与元素演化
3. HT-FJH高温闪烧：从生物炭到石墨烯
将导电生物炭转入石英管反应器，两端以多孔铜电极夹持，抽真空后施加高电压。0.4秒内温度飙至2600 °C，碳晶格瞬间重排形成少层石墨烯；同步地，内源性Ce物种在高温氧化氛围中转变为CeO₂纳米粒子，均匀锚定在石墨烯基底上。反应器已从实验室8 mm内径成功放大至40 mm，单批产量突破10 g。
图4：HT-FJH 反应器放大实物图
4. 多尺度表征与DFT理论计算
采用XRD、Raman、XPS、SEM、TEM等全面解析材料结构；通过旋转圆盘电极（RDE）系统评估ORR催化性能；运用密度泛函理论（DFT）计算揭示CeO₂-石墨烯界面的催化协同机理。同步开展生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA），量化环境效益与经济可行性。
研究结果
1.生物炭导电化：电阻率骤降一个数量级
XRF分析显示乌毛蕨含0.76% CeO₂及SiO₂、CaO等无机组分。LT-FJH处理后，灰绿色叶片变为黑色多孔生物炭，BET比表面积达252.5 m²/g。最关键的突破：电阻率从传统碳化法的0.468 Ω·m骤降至0.052 Ω·m——这就像给”木头”注入了”导电魔法”，彻底摆脱对外部导电剂的依赖。
图5：低温闪速焦耳热（LT-FJH）将 BO 快速转化为生物炭
2. CeO₂-石墨烯结构确证：多维证据链
HT-FJH后，Raman光谱显示IG/I2D=1.5，证实为少层石墨烯。XRD在~26°检出石墨（002）峰，~28°和35.5°检出CeO₂特征峰。XPS显示65.3%为sp²碳，Ce 3d谱中62.4%为Ce⁴⁺，确证了结晶态CeO₂的存在。TEM直观展示了2~3层石墨烯，层间距0.334 nm，与石墨理论值完美吻合。
图6：HT-FJH将生物炭转化为 CeO₂-石墨烯结构表征
3. ORR电催化性能：超越商业炭黑
2600 °C样品在0.1 M KOH中表现最优：半波电位达0.65 V（vs RHE），Tafel斜率65.8 mV/dec，均优于商业炭黑。K-L分析显示电子转移数3.78~3.82，以4e⁻通路为主。30000秒长期稳定性测试后电流衰减最小，Ce溶出量低于检测限。DFT计算揭示：CeO₂-石墨烯界面通过适度的电子局域化效应，显著降低了ORR关键步骤（*OOH→*O）的能垒。
图7： CeO₂-石墨烯的ORR性能测试与DFT机理分析
4. 普适性验证：芒萁同样适用
为验证策略的普适性，团队对另一种稀土超富集植物——芒萁（Dicranopteris linearis, DL，含CeO₂约0.3%）进行相同处理。所得CeO₂-石墨烯同样展现出优异的ORR活性：2500 °C样品在所有测试温度下均超越商业炭黑，Tafel斜率91.9~94.4 mV/dec，显著低于炭黑（108.9 mV/dec）。Raman显示Iₒ/I₂ₓ=2.0，TEM证实2~3层石墨烯结构。
图8：PSC-FJH 将 DL 快速转化为 CeO₂-石墨烯
5. 生命周期评估：能耗降低超70%
LCA对比了微波碳化（MW）、水热碳化（HT）和PSC-FJH三条路线。PSC-FJH生产1 kg石墨烯仅需电力947.6 kWh，CO₂排放仅909.7 kg CO₂-eq，相比MW法减少28.5%，相比HT法减少72.7%。全程不使用任何化学试剂（无KOH、无HCl、无有机溶剂），运营成本每千克仅USD 104.3，分别低于MW法（153.7）和HT法（382.5）。即使考虑植物种植排放的最坏情景，PSC-FJH的环保优势依然稳固。
图9：三种石墨烯制备路线的环境与经济全面对比
展望
1.多种稀土超富集植物的适用性拓展
当前工作已验证BO和DL两种植物，体系内还含有La、Nd、Y等其他稀土元素。未来可系统拓展至更多稀土超富集植物种类，建立”植物-稀土-碳材料”的通用转化平台。
2. 从实验室到工业化的规模放大
研究团队已完成反应器从8 mm到40 mm内径的跨越，单批产突破10 g。千克级中试线正在设计中，配套输送带连续进料（LT-FJH）和旋转盘式进料（HT-FJH）等工程方案也已提出，产业化路径清晰可见。
3. 燃料电池等清洁能源领域的应用前景
CeO₂-石墨烯催化剂可直接应用于燃料电池阴极ORR，替代昂贵的铂基催化剂。这种”种植-转化”模式还为污染土壤的植物修复与资源化提供了”以废治废”的新思路，兼具环境效益与经济价值。
图10：工业放大中 LT-FJH 的传送带式进料系统示意图
图11：工业放大过程中 HT-FJH 的旋转进料系统示意图
当前以Ce为模型元素验证概念，其他稀土（La、Nd、Y等）具有不同的氧化还原特性与配位化学。PSC-FJH策略原则上可适配多种稀土，未来研究将系统探索其适用边界与优化方向。
DOI：10.1021/acs.est.6c00603
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