21秒合成强吸附剂：3D多孔石墨烯

三维多孔石墨烯（3D HPG）因其卓越的机械稳定性、低密度、高电导率和巨大的比表面积等特性，在吸附、催化和传感等领域展现出巨大潜力，被认为有望成为未来革命性材料。3D HPG的独特之处在于其高比表面积带来的均匀分散活性位点，这增强了界面传输和反应的能力，使其在水处理等应用中展现出优异的吸附性能，其分级多孔结构能够缩短物质的扩散路径，促进物质的穿透。然而，3D HPG的传统制备方法，如化学气相沉积（CVD）、模板自组装和化学还原法，虽然已成功应用，但存在诸多限制。这些方法或需要特殊设备和高温密闭条件，或使用有毒气体源，导致制备过程繁琐、能耗高且产率低，且制备出的石墨烯分散性和质量较差。因此，开发绿色高效的3D HPG合成方法显得尤为关键。

文章简介

2023年11月，中国矿业大学朱荣涛课题组在期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》上发表了题为“Ultrafast synthesis of 3D porous flash graphene and its adsorption properties”的论文。本研究利用闪蒸焦耳加热（FJH）技术，成功在21秒内从烟煤（BC）超快合成了具有良好分散性和吸附性能的三维多孔闪蒸石墨烯（3D PFG）。通过碳酸盐热解产生的热冲击和焦耳加热引发的热膨胀，形成了稳定的多孔结构。3D PFG的比表面积高达504 m²g⁻¹，并且具有微孔、中孔和大孔的分级多孔结构特征。研究还探究了在不同碳酸盐比例和不同闪蒸电压下3D PFG的孔隙结构变化，掌握了FJH过程中分级孔隙结构的可控合成条件。实验和模拟结果表明，3D PFG作为吸附剂，对甲基蓝和甲基橙具有良好的分散性和吸附性能。FJH作为一种环境友好型的合成过程，不仅简化了3D HPG的制备过程，还为煤炭的高附加值利用提供了宝贵的方法。

图文导读

本研究采用闪蒸焦耳加热（FJH）技术，通过快速加热烟煤实现3D多孔闪蒸石墨烯（3D PFG）的超快合成。FJH技术利用样品自身电阻产生焦耳热，不仅简化了制备过程，降低了能耗，还显著提升了石墨烯的质量和分散性。与传统方法相比，FJH技术仅需21秒即可合成3D PFG，能耗仅为2千焦耳，为煤炭资源的高价值利用及减少CO2排放提供了一种绿色高效的新途径。

图1 展示了FJH系统的示意图和3D PFG合成流程图。FJH系统由1.4 F和60 mF两个电容器组构成，分别实现连续放电和瞬时放电。通过FJH处理，KBC（烟煤、碳酸钾和碳黑的混合物）首先转化为多孔无定形碳（PAC），然后迅速升温至2500 K以上，形成3D PFG。

图2 显示了FJH工作时的电流和电压信号，以及合成PAC和3D PFG过程中的温度变化和热膨胀变形的有限元模拟。这些信号表明FJH能够利用样品自身产生的焦耳热迅速加热并快速冷却至室温，且整个合成过程能耗极低。

图3 通过扫描电镜（SEM）图像展示了样品在FJH处理前后的多孔结构变化，证明了FJH合成的多孔结构非常稳定，且完全反应。

图4 利用X射线光电子能谱（XPS）分析了样品的元素比例、原子杂化模式和表面含氧官能团类型，结果显示FJH处理导致氧碳比逐渐降低，表明样品纯度提高。

图5 展示了不同K2CO3比例和不同闪蒸电压下3D PFG的孔隙结构特性，包括氮气吸附-脱附等温线和孔径分布。结果表明，通过调整K2CO3含量和闪蒸电压，可以控制3D PFG的孔隙结构。

图6 展示了不同样品在不同时间对甲基蓝的吸附性能和吸附速率，以及伪一阶和伪二阶吸附动力学模型的拟合结果。3D PFG展现出优异的吸附性能，能在128分钟内完全去除染料。

总结与展望

本研究成功利用闪蒸焦耳加热（FJH）技术，以烟煤（BC）为原料，在极短的时间（21秒）内合成了具有良好分散性和高比表面积（504 m²g⁻¹）的三维多孔闪蒸石墨烯（3D PFG）。通过精确的能量计算，FJH合成3D PFG的能耗仅为2 kJ，这一结果突显了FJH技术在节能方面的巨大潜力。研究中对不同闪蒸阶段的样品进行了形态、结构和化学组成的细致表征与分析，并运用COMSOL软件对FJH的合成特性进行了有限元模拟，证实了3D PFG在保持二维石墨烯良好电子特性的同时，通过FJH过程中的热冲击和热膨胀效应，实现了分级多孔结构的有效调控。

通过有机染料吸附实验，进一步验证了3D PFG作为一种绿色高效吸附材料的潜力。研究结果表明，FJH合成系统不仅简化了三维多孔石墨烯（3D HPG）的合成流程，而且提高了生产效率，确保了产品质量，具有重要的参考价值和实际应用前景。

展望未来，FJH技术在合成3D PFG方面展现出的高效率和高质量，预示着其在大规模生产和商业化应用方面的广阔前景。此外，3D PFG的分级多孔结构和化学组成的可控性，为其在吸附、催化、能源存储和转换等众多领域的应用提供了更多可能性。随着对FJH技术不断深入的优化和改进，可以预见，3D PFG将在未来的纳米科技和材料科学中扮演更加关键的角色，推动相关领域的技术进步和产业革新。同时，本研究也为煤炭等传统能源的高附加值利用提供了新的思路和方法，有助于实现资源的可持续利用和环境保护目标。

文章链接

Yuntian Liao, Rongtao Zhu, Wenjun Zhang, Pengfei Huang, Yang Sun, Haiyang Zhu. Ultrafast synthesis of 3D porous flash graphene and its adsorption properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.132178.