研 究 背 景

生物质来源广泛、可再生且富含碳元素，是制备高附加值碳材料的重要可持续前驱体。然而，生物质组成复杂、结构高度非均一，其热转化过程中往往伴随挥发分析出、骨架收缩及局部结构重构，使碳材料的石墨化程度、缺陷密度和层间堆垛结构难以实现精确调控。传统高温热处理通常依赖较长的升温和保温过程，不仅能耗较高，也难以对碳结构演变过程中的中间状态进行快速调节。

闪速焦耳热（Flash Joule Heating, FJH）能够在极短时间内向材料直接输入高密度电能并形成瞬态高温，为生物质碳材料的快速重构提供了新的技术路径。现有 FJH 研究已证明其在废弃碳源高值化和快速石墨化方面具有较强潜力，但多数研究仍主要通过经验式改变电压、电流或放电时间寻找合适工况，工艺参数与碳微观结构之间缺少清晰、可用于反向指导合成的对应关系。因此，如何从“快速制备”进一步走向“结构可控”，是 FJH 制备碳材料亟待解决的问题。

研 究 亮 点

针对上述问题，华中科技大学相关研究团队提出了一种预热解辅助的双阶段闪速焦耳热策略。首先通过预热解除去生物质中的大部分挥发分并建立相对稳定的导电碳骨架，随后利用 FJH 瞬态高温进一步调节碳结构。在此基础上，研究将反应电流主要作为热力学驱动力，将脉冲持续时间作为结构松弛的动力学尺度，系统建立工艺参数与碳结构演变之间的对应关系。

研究进一步结合 Raman、XRD、TEM、XPS、TGA 等多尺度表征，构建了以 Raman 双结构指标为依据的工艺–结构相图，将 FJH 作用下的碳结构演变划分为无定形碳、少层乱层石墨烯（few-layer turbostratic graphene, FLTG）和高有序乱层纳米石墨（turbostratic nanographite, TNG）三个区域，从而使 FJH 工艺由经验参数筛选进一步转向参数导向的结构调控。

图1  闪速焦耳热驱动生物质碳精准定构策略示意图

图 文 解 析

研究发现，在固定反应时间下，提高电流能够快速促进缺陷消除和碳骨架有序化；而在较高电流下进一步延长脉冲持续时间，则有利于碳层持续重排和层间堆垛。Raman、XRD 和 TEM 结果共同表明，碳材料可以沿着“无定形碳 → FLTG → 高有序 TNG”的路径连续演变。

图2  闪速焦耳热过程中碳结构演变及工艺参数调控规律

其中，在目标高石墨化窗口获得的 TNG 平均层间距可降低至约 0.345 nm，平均堆垛层数接近 9–10 层。其粉末电导率在 30 MPa 压力下达到 59.06 S cm^-1，验证了结构有序化与宏观电子输运性能之间的关联。

为进一步理解瞬态高温下的原子尺度变化，研究采用 ReaxFF 分子动力学模拟分析生物质碳模型的结构演化。结果显示，高温作用促进含氧基团脱除、缺陷减少以及碳层的连接和堆垛，为实验观察到的快速结构重构提供了原子尺度解释。

图3  闪速焦耳热诱导碳原子重构的分子动力学机制

研究还考察了竹基、棉秆、松木和花生壳等不同生物质衍生炭在相同 FJH 条件下的结构响应。结果表明，FJH 对多种生物质碳均具有明显的结构重构作用，但不同前驱体的组成差异会影响其石墨化轨迹，因此具体的工艺–结构边界仍需要针对不同原料进行校准。这一结果说明，该方法具备一定的原料适用性，同时也明确了实现精准结构调控所需要考虑的前驱体因素。

图4  不同生物质前驱体经闪速焦耳热后的结构响应差异

研 究 小 结

为验证高石墨化 TNG 的应用潜力，研究将其作为功能填料引入环氧树脂。当 TNG 添加量为 1.2 wt.% 时，复合材料的弯曲模量达到 2037.5 MPa，约为纯环氧树脂的 2.8 倍，同时热导率得到提升。断面 SEM 结果表明，适量 TNG 能够在基体中形成较均匀的增强网络，而继续提高添加量会导致团聚并削弱界面传力效果。

图5  TNG增强环氧复合材料的结构与性能验证

该研究的重点并非单纯追求更高的石墨化程度，而是尝试建立一种“目标结构—工艺参数”之间可关联的快速合成方法：针对不同应用需求，可以通过调节 FJH 的电流和作用时间，使生物质碳向不同结构区域演变。由此，闪速焦耳热有望从传统的快速高温处理手段进一步发展为一种面向碳材料结构调控的电热制造方法，为可再生生物质的高值碳材料转化及快速电热合成提供新的研究思路。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Precision Synthesis of Biomass-Derived Graphene-Like Carbon With Tailored Crystallinity via Controlled Flash Joule Heating

文章研究方向：

碳材料— —闪速焦耳热、生物碳、结构调控、石墨化、导电复合材料

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70308

DOI: 10.1002/cey2.70308

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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