在科学研究和工业制造中，实现环境影响最小化的合成方法至关重要。下一代合成技术需满足减少溶剂和水使用、提升能效和生产扩展性等关键标准。传统热力学平衡态合成过程常因高温（>600°C）和长时间反应而难以达到这些要求。新近发展的非平衡合成方法，如超快电阻焦耳加热，以其毫秒至分钟级的快速反应显著降低能耗，但受限于特定的电导率需求，且引入导电添加剂可能导致杂质问题。针对这些挑战，本研究介绍了一种新型的非平衡级联闪蒸焦耳加热（FWF）合成协议。FWF技术通过超快热传导，在数秒内实现多种化合物的合成，突破了传统方法的限制，为高效、快速且环境友好的合成提供了创新途径。
文章简介
日前，莱斯大学James Tour教授研究团队在《Nature Chemistry》上发表了题为“Flash-within-flash synthesis of gram-scale solid-state materials”的论文。本研究提出了一种创新的级联闪蒸焦耳加热（FWF）合成技术，以应对当前无机材料生产中对环境友好型制造工艺的需求。FWF技术以其非平衡态、超快速热传导的特点，在环境条件下，能在5秒内制备出十种过渡金属二硫化物、三种第十四族二硫化物以及九种非过渡金属二硫化物材料。与传统合成方法相比，FWF技术在简易的克级可扩展性和可持续制造标准方面具有显著优势。此外，FWF技术的独特之处在于它能够生产相选择性的、单晶的块状粉末，这在其他合成方法中是罕见的。通过FWF技术制备的MoSe2材料在摩擦学性能上超越了市面上的同类产品，证明了FWF材料的卓越品质。FWF技术还具备原子替代和掺杂的能力，进一步凸显了其作为通用无机材料合成协议的多功能性。这项技术的发展不仅推动了无机材料合成领域的进步，也为实现高效、节能、环保的材料生产提供了新的解决方案。
图文导读
本研究报道了一种创新的合成技术——级联闪蒸焦耳加热（FWF），该技术以其非平衡态、超快速热传导的特性，突破了传统合成方法的局限。FWF技术在合成协议的三个关键领域——减少溶剂和水的使用、提高能源效率和可扩展性方面展现出巨大潜力。通过超快电阻焦耳加热实现的非平衡合成，与传统需要长时间高温的合成过程相比，FWF技术能在毫秒至分钟级时间内显著降低能耗。
图1 详细展示了FWF技术的工作原理，包括其电流和温度特性，以及不同工作周期下的反应描述，证明了FWF技术在快速合成方面的高效性。
FWF过程的关键在于使用两个石英容器：外部的闪光容器填充有廉价的导电原料，如冶金焦炭，内部则是半封闭的反应器，包含目标试剂。在FWF过程中，系统处于环境气氛中，外部容器通过特制的电容器组放电系统进行闪光焦耳加热（FJH）。这一过程不仅产生了约2000°C的高温，而且通过脉冲电流控制，实现了5秒内连续的温度、压力和体积变化，触发了非平衡、动力学控制的反应，同时在内部容器中形成了特定的目标产品。
图2 展示了FWF方法在克级生产中的可扩展性，以及通过XRD和XPS分析得到的高纯度、晶体性的WSe2产品。此外，通过生命周期评估（LCA）比较了FWF与传统的Mg辅助高压釜合成和化学气相传输（CVT）方法在合成100克MoSe2时的可持续性，FWF在能源消耗、温室气体排放和水消耗方面均展现出显著优势。
FWF技术的一个显著特点是其在材料改性方面的灵活性，包括通过掺杂实现性能调控和克级规模生产的能力。通过改变初始前体，FWF能够实现多种化合物的掺杂（替代），如图3所示，通过ADF-STEM和EDX映射技术，展示了SnS2、SnSe2和Se掺杂SnS2的成功合成，以及通过改变前体实现的能带隙调控。
图4 展示了FWF材料的电学特性，包括n型和p型半导体以及铁电材料的场效应晶体管（FET）设备，证明了FWF技术能够生成具有优异电学性能的二维材料。
图5 通过对比分析商业MoSe2和FWF MoSe2的摩擦系数（COF），展示了FWF材料在摩擦学性能上的优越性和稳定性。
本研究提出的FWF技术以其快速、高效、可扩展和环境友好的特点，为无机材料的合成提供了一种全新的方法。这项技术不仅能够实现对合成过程的精确控制，还能够生产出具有特定相和单晶性的块状粉末，为电子器件、催化、能源存储等领域的应用提供了广阔的前景。
总结与展望
本研究提出的级联闪蒸焦耳加热（FWF）技术，成功克服了传统基于平衡态的大型合成方法的局限，实现了更快的反应速率，并减少了对溶剂、水和能源的依赖。FWF技术以其多才多艺、高效率和良好的可扩展性，为生产各类无机化合物提供了一种通用、高效的合成协议。通过精确控制合成参数，FWF技术能够制备出具有特定相和单晶性的块状粉末，这在以往的合成方法中是难以实现的。
FWF技术的另一个显著优势是其在材料改性方面的灵活性，包括通过掺杂实现材料性能的调控，以及在克级规模上的合成能力，这为环境友好型设计的无机材料的获取提供了巨大的成本节约潜力。此外，FWF材料的多样性应用前景广阔，如文中以FWF制备的MoSe2材料在摩擦学性能上超越了市售MoSe2的实例，展示了FWF材料在实际应用中的卓越性能。
展望未来，FWF技术有望在无机材料的合成领域引发一场变革，其在能源效率、成本效益和环境影响方面的综合优势，将推动更多高性能材料的开发和应用。随着对FWF技术深入理解和优化，预期将在电子器件、催化、能源存储和摩擦学等多个领域实现技术突破，为科学研究和工业应用带来深远的影响。
文章链接
Chi Hun ‘William’ Choi, Jaeho Shin, Lucas Eddy, Victoria Granja, Kevin M. Wyss, Bárbara Damasceno, Hua Guo, Guanhui Gao, Yufeng Zhao, C. Fred Higgs III, Yimo Han & James M. Tour. Flash-within-flash synthesis of gram-scale solid-state materials. Nat. Chem. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41557-024-01598-7
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