2024年，由大连大学Xinjuan Liu和贵州六盘水师范学院Hongchao Luo在《ACS Omega》上发表了题为“Preparation of Coal-Based Graphene by Flash Joule Heating”的论文。该研究通过创新的闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，成功地从无烟煤中制备出闪蒸石墨烯（AC-FG）。利用这项技术，研究团队展示了通过精确控制系统参数，尤其是脉冲电压，无需催化剂即可从无烟煤中获得AC-FG。这一突破为煤炭资源的高效利用和石墨烯的成本效益应用提供了重要的途径。
摘要
本研究探讨了利用闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）方法从无烟煤中生产闪蒸石墨烯（AC-FG）。研究表明，通过精确控制系统参数，特别是脉冲电压，可以从无烟煤中得到AC-FG。FJH工艺无需催化剂，所制备的材料通过拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TG）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和XPS技术进行了表征。结果揭示了煤的石墨化程度在190V时达到峰值。从能源角度来看，FJH为石墨烯的制备提供了一种直接且成本效益高的方法，为煤炭资源的有效利用和石墨烯的成本效益应用提供了重要途径。
研究背景
石墨烯作为一种新型的二维材料，因其独特的电子性质和高比表面积而备受关注。它在能源存储、生物医学、催化和环境治理等领域展现出广泛的应用潜力。传统的石墨烯制备方法存在成本高、效率低或难以规模化的问题。因此，开发一种快速、经济、可规模化的石墨烯制备技术对于推动其工业应用至关重要。
研究方法
研究团队采用了闪蒸焦耳加热技术，这是一种通过脉冲电流产生瞬时高温的方法，能在毫秒级时间内将无烟煤加热至3000K以上，从而快速转化为石墨烯。通过对样品进行研磨、干燥、酸碱处理、水洗和FJH处理，成功合成了具有层状结构的AC-FG。
研究结果
- 通过FJH处理的无烟煤在190V的脉冲电压下，其石墨化程度达到最高。
- 利用多种表征技术确认了AC-FG的高结晶度和低缺陷特性，以及其在氮气和空气氛围下的高热稳定性。
- 通过XPS分析发现，随着脉冲电压的增加，样品中碳的纯度提高，氧含量降低。
总结
本研究成功利用闪蒸焦耳加热技术从无烟煤中快速制备出煤基石墨烯，展示了该技术在石墨烯工业化生产中的潜力。通过精确控制加热参数，可以获得高纯度、高结晶度的石墨烯产品，为煤炭资源的高值化利用和石墨烯材料的可持续发展提供了新的策略。
展望
闪蒸焦耳加热技术为石墨烯的快速制备提供了一种新途径。未来研究将进一步优化FJH过程，探索其在不同煤炭类型和更大规模生产中的应用，以及在能源存储和转换、环境治理等领域的潜在应用。
DOI: 10.1021/acsomega.3c07438
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