背景
石墨烯气凝胶兼具超低密度、三维多孔网络以及优异的力学、电学和热学特性，是储能、环境修复和极端环境材料中的重要平台。然而，其产业化长期受制于“干燥”这一关键步骤：冻干和超临界干燥虽能减小孔结构塌陷，却普遍耗时、耗能且装备复杂；常压热风干燥效率较高，但液水蒸发带来的表面张力和毛细压力会严重破坏气凝胶骨架。因此，如何在快速脱除溶剂的同时保持纳米孔结构，并兼顾规模化、低能耗和性能调控，是石墨烯气凝胶制备中的核心问题。
论文概要
2026年6月24日，厦门大学田中群院士、谷宇博士、韩业创博士团队在期刊Nature Communications发表研究，提出电热真空升华干燥方法（electrothermal vacuum sublimation drying, EVSD），将焦耳快速加热与低压相变调控结合，使冻结在石墨烯水凝胶孔道中的冰直接升华，从而绕开液相水引发的结构破坏。实验显示，EVSD 在约 10 Pa 和约 776 K 条件下可将石墨烯气凝胶干燥时间缩短至 8 分钟，相比传统冻干干燥速率提高 417 倍，电能消耗仅为冻干的 0.6%，并保持低于 8% 的体积收缩。更重要的是，高温低压环境还能促进含氧官能团分解和碳-水反应，提升孔结构与高温稳定性；所得气凝胶进一步可作为局域高温电阻加热体，实现超过 3000 K 的热点，用于将中间相炭微球的石墨化过程从数天压缩到 20 秒，并获得接近理论容量的锂离子电池负极性能。
图文解读
图 1 | EVSD 的相变原理与应用框架
图 1 从水的相图出发说明 EVSD 的核心逻辑：在低压下加热，冰可直接越过液相转变为水蒸气，避免液水蒸发过程中的毛细压力破坏多孔网络。与冻干和热风干燥相比，EVSD 同时具备快速脱水、结构保持和低能耗优势；所得石墨烯气凝胶还能在相同输入功率下达到更高峰值温度，显示其作为局域高温电热平台的潜力。
图 2 | EVSD 制备效率与能耗对比
图 2 展示了 EVSD 的装置流程、干燥过程和与传统方法的定量比较。EVSD 可在 8 分钟内完成气凝胶干燥，而冻干需约 2200 分钟、热风干燥需约 630 分钟；同时 EVSD 样品体积收缩小于 8%，显著优于热风干燥导致的严重塌陷。能耗方面，EVSD 完成一次干燥仅需约 0.14 kW h，明显低于冻干的 22.98 kW h 和热风干燥的 1.49 kW h。
图 3 | 孔结构、表面化学与材料适用性
图 3 表明 EVSD 不只是“更快的干燥”，还会同步调控材料结构和表面化学。EVSD-GA 保持层级多孔形貌，孔径分布与冻干样品接近，但 BET 比表面积提升至 107.5 m2 g-1，约为冻干样品的两倍；XPS/Raman 等结果说明含氧官能团被有效去除，表面碳结构更适合高温应用。作者还将该策略拓展到 MXene 气凝胶，说明 EVSD 具备一定材料通用性。
图 4 | 干燥动力学与传热传质机制
图 4 解析了 EVSD 快速干燥的机制：随处理温度从室温升至 776 K，达到同等干燥程度所需时间从数百分钟降至 8 分钟。干燥前期主要由辐射加热驱动孔内冰直接升华，后期则逐渐转向水蒸气在已干燥多孔区中的扩散限制；由于石墨烯气凝胶孔径远小于水分子平均自由程，Knudsen 扩散成为描述末期传质的关键模型。
图 5 | 石墨烯气凝胶作为局域高温电热体
图 5 证明 EVSD 制得的气凝胶可进一步用作高效电阻加热材料。通电后，气凝胶内部形成明亮的高温热点，COMSOL 模拟显示核心温度可达约 3500 K，而表面温度约为 1778 K，形成明显的内外温差。与碳纸、石墨烯膜等材料相比，气凝胶在相同功率下峰值温度更高，并在 2000 次电热冲击后保持较稳定的表面-核心温度关系和电阻响应，说明其具备高温循环耐受性。
图 6 | 20 秒快速石墨化与锂离子存储
图 6 将 EVSD-GA 的高温平台能力用于中间相炭微球快速石墨化。经气凝胶介导的焦耳加热处理后，MCMB 的 XRD 峰变窄并向高石墨化结构转变，TEM/SAED 进一步显示层状有序程度明显提升。作为锂离子电池负极，碳包覆 JH-MCMB 表现出 358.4 mAh g-1 的初始可逆容量和 93.54% 的初始库仑效率，说明这种超快石墨化路线不仅缩短工艺时间，也能获得接近商业石墨的电化学表现。
总结展望
总体来看，EVSD 的价值在于把“相变干燥”和“高温化学调控”合并到同一电热真空平台中：一方面，它以低能耗和短时间解决了气凝胶制备中的孔结构保持难题；另一方面，它让气凝胶从被制备对象转变为高温合成工具，可服务于石墨化、表面改性和纳米材料制备。未来值得关注的方向包括连续化装备设计、大尺寸样品的温度均匀性控制、不同凝胶体系中的可迁移性，以及在电池负极、隔热材料、催化载体和高温快速合成中的工程放大验证。
论文信息：Hu, S.-F., Yang, M.-Z., Cao, P.-Y. et al. Electrothermal vacuum sublimation drying of graphene aerogels for high-temperature synthesis. Nature Communications, 2026, Article in Press. DOI: 10.1038/s41467-026-74752-z.
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