深圳大学/山东理工大学Flatchem综述：闪蒸焦耳加热技术在二维材料以及其他领域的应用

文章导读

烧结技术是一种通过高温加热固化粉末的成熟方法，它在多个领域取得了广泛应用。为了提升烧结材料的性能，发展了多种加工技术，包括热压和热等静压。20世纪60年代以来，电流激活/辅助烧结（ECAS）技术被广泛利用以改善材料的致密化。其中，**闪光烧结（FS）**作为一种ECAS技术，通过直接焦耳加热样品实现快速致密化，具有高效节能的特点。FS技术自2010年首次被报道用于二氧化锆的烧结以来，已被广泛研究并应用于多种材料。

闪蒸焦耳加热 (FJH) 技术是一种利用焦耳效应将电能迅速转化为热能的技术，能够在短时间内引起材料蒸发或相变。FJH技术不仅在材料合成中展现出高效的能量转换和减少能量耗散的优势，而且在蒸发水分方面也显示出其快速、节能和无污染的特点，广泛应用于食品加工、化工、环境工程等领域。本综述将重点关注FJH技术在合成二维材料如石墨烯中的应用，并探索其在回收电池金属、石墨和阴极材料等方面的潜力。

图文摘要

上述成果发表在FlatChem，题为：Flash Joule heating technology in two-dimensional materials and beyond。欢迎点击文末“阅读原文”免费阅读、下载！

研究发现

• FJH 技术优势: FJH 具有快速加热和冷却、高能量利用率、短合成时间、低能耗等优点，使其成为合成二维材料和其他应用的良好选择。
• 二维材料合成: FJH 可用于高效合成石墨烯，包括闪石墨烯 (FG) 和三维多孔闪石墨烯 (3D PFG)，并可用于制备其他二维材料，如过渡金属硫族化合物、黑磷、硅基材料等。
• 电池金属回收: FJH 可用于提高电池金属的浸出动力学，实现高效回收，并可用于再生石墨电极材料，提高其导电性和循环性能。
• 贵金属回收: FJH 可用于从电子废物中提取贵金属和稀土元素，具有高效、环保的优势。
• 其他应用: FJH 可用于制备高效催化剂、纳米材料等，并具有在二维半导体和范德华介电材料制备方面的潜力。

图文解读

1. FJH合成二维材料

1.1 石墨烯

图1展示了石墨烯这种新兴纳米材料的多种应用，突出了其在各个领域中的重要潜力。石墨烯作为一种二维材料，具有卓越的电热导性、化学稳定性、耐高温能力、高强度和低重量等特性。这些特性使得石墨烯在涂层、电催化、导电油墨/纤维、表面增强拉曼散射、传感器、水/气体过滤、太阳能电池、柔性电子、润滑剂、超级电容器、锂电池、复合材料等方面有着广泛的应用前景。

图2. (a) 展示了使用FJH技术制备闪蒸石墨烯（FG）的实验装置图。该装置通过快速加热和冷却过程，能够在极短的时间内从含碳源材料制得石墨烯。这一过程不仅提高了石墨烯的生产效率，还有助于降低能耗和成本。(b) 展示了将橡胶废料转化为涡轮扇FG的FJH系统的示意图。该系统通过特定的电压和脉冲持续时间，有效地将橡胶废料中的碳转化为具有高比表面积和特定结构特征的涡轮扇FG。这种方法不仅为橡胶废料的回收利用提供了新途径，还有助于生产出性能更优的复合材料。

图3. (a) 分子动力学模拟图，展示了通过FJH催化将沥青转化为沥青衍生的闪蒸石墨烯（AFG）的过程。这种模拟有助于理解在FJH作用下材料的微观结构变化，从而优化合成过程。(b) 石墨烯氧化物（GO）转化为F-rGO的示意图。这一转化过程通过FJH技术实现，能够快速去除GO中的氧官能团，生成具有更多缺陷和更高电导率的还原石墨烯氧化物。(c) 通过无烟煤FJH方法制备煤基石墨烯（AC-FG）的制备工艺示意图。这种方法简便且高效，能够将低成本的煤炭转化为高附加值的石墨烯材料。(d) 处理PFAS-GAC（全氟烷基磺酸盐-颗粒活性炭）的实验装置和流程的示意图。该技术利用FJH将有害的PFAS转化为无毒的氟化物盐，同时将使用过的碳升级为高价值的闪蒸石墨烯。(e) 三维多孔闪蒸石墨烯（3D PFG）合成的示意图。这种多孔结构的石墨烯具有更高的比表面积和改善的吸附性能，使其在催化、能源存储和环境修复等领域具有潜在的应用价值。

1.2 其他二维材料

图4. (a) 展示了过渡金属二硼化物（TMB2）合成单元的图表。该合成单元利用FJH技术，能够在数秒内无需外部热源的情况下瞬时合成相纯的亚微米粉末TMB2及其复合材料。这种快速合成方法显著减少了传统热还原方法中维持高温所需的能量和时间，为超高温陶瓷（UHTCs）的合成提供了一种高效、快速的替代途径。(b) 展示了基于闪蒸煤合成多孔碳的示意图。通过FJH方法，利用煤的不同程度的变质特性，可以在不到1秒的时间内无需任何化学处理制备出多孔碳。这种多孔碳具有优异的吸附能力，其制备过程快速、低能耗，且对环境友好，为多孔碳的大规模生产提供了新的可能性。

图5. (a) 展示了通过FJH方法合成CC-S和CC-S-HEA的机制示意图。CC-S和CC-S-HEA是在碳布上通过FJH技术合成的，该技术利用焦耳热产生的瞬时高温来激活碳布，进而锚定硫原子并形成多个缺陷位点，这些缺陷位点有助于高熵合金(HEA)粒子的分散和催化活性的提高。(b) 展示了Ru-Cu@CM/CC的合成示意图。这种材料是通过FJH在氮气氛围中进行碳热还原制备的，它由导电碳布(CC)、铜(Cu)和钌(Ru)纳米晶体组成。Ru-Cu@CM/CC因其优异的电催化性能，在氢氧进化反应(HER)和氧化反应(OER)中表现出良好的催化活性。(c) 展示了Co-Cl-C复合催化剂合成的示意图。这种催化剂通过FJH方法制备，利用碳黑和氯化钴在高温下的还原和氯化作用，形成具有良好催化性能的复合材料。(d) 展示了NiRu-CNTs催化剂合成的示意图。通过FJH技术在富含氮的碳纳米管上均匀分散的镍-钌合金纳米粒子，这种合金催化剂在氢氧进化反应中展现出低过电位、高稳定性和快速的氧气释放动力学。(e) 展示了通过FJH和热解技术处理原料(Fe-C-raw)的工艺示意图。这种处理方法能够将低品位的铁矿物(FeS)和软碳转化为富含电子的纳米Fe0/FeS异质结构，这些结构嵌入在薄层石墨烯中，具有快速的温度升高、电击和冷却过程。

2. FJH其他应用

2.1 电池金属、石墨和正极的回收

图6. (a) 该图比较了不同浸出剂对锂和过渡金属的回收效率，并标注了浸出浓度。这一比较显示了Flash Joule Heating (FJH)技术在电池金属回收方面的优势，尤其是在提高浸出动力学和减少挥发性金属的扩散损失方面。FJH技术能够在毫秒级时间内实现高达98%的金属回收率，同时降低了酸浓度要求、提高了浆料密度和浸出效率。(b) 展示了FJH放电设备和废石墨电极材料再生的示意图。该设备能够迅速再生经过处理的石墨，而不会造成污染。FJH不仅能够通过快速退火过程去除SEI涂层，还能提供强电流修复石墨中的缺陷并恢复其晶体结构，从而得到比新制造的商业石墨具有更高导电性的再生石墨。(c) 展示了石墨再生的示意图。FJH处理后的石墨显示出折叠和螺旋状的层状结构、优异的表面结晶和减少的缺陷数量。当在FCBG中观察到石墨烯片和晶格条纹结构时，可以清楚地看到这些片状物几乎没有表面缺陷且具有卓越的结晶性。这种石墨的制备方法不仅适用于不同设备中废石墨的再生，而且由于其能够进行多次使用-失效-再生循环，具有很大的商业潜力。经参考文献[76]许可转载。(d) 展示了废旧锂离子电池阴极的闪速回收和再合成的示意图。这项技术结合了固态还原和磁分离，从废旧材料中衍生出新的阴极。通过FJH处理后的阴极材料，其电化学特性与新的商业阴极材料相似，证实了闪速回收方法的有效性。这一过程对于环境和经济都具有重要意义，对于废旧电池的回收和再生至关重要。

2.2 矿山贵金属回收

图7. (a) 展示了FJH蒸发分离系统的示意图。该系统用于从电子废物中提取有价值的金属和危险的重金属，能够在不到一秒的时间内完成。这一过程比传统的冶炼炉更为环保和节能，是城市采矿中金属回收的一种有效技术。(b) 展示了FJH处理煤飞灰(CFA)的方案图。CFA作为一种工业副产品，通过FJH技术可以转化为有价值的材料，例如稀土元素(REE)。(c) 展示了FJH处理的示意图。FJH是一种能够在短时间内提供高温的技术，适用于各种材料的加热处理，包括石墨烯的快速合成和稀土元素的回收。(d) 展示了贵金属与碳的蒸气压-温度关系图。这一关系对于理解和优化FJH过程中金属的蒸发和回收至关重要。(e) 展示了CFA-F原料和活化CFA-F的pH依赖性稀土元素浸出能力。FJH技术通过热降解将不溶性的稀土元素转化为热力学上可溶的组分，显著提高了使用稀释酸时的浸出率和回收率。(f) 展示了CFA-C原料和活化CFA-C的pH依赖性稀土元素浸出能力。这些数据对于优化FJH处理条件，提高稀土元素的回收效率具有重要意义。

总结与展望

本综述详细阐述了闪蒸焦耳加热（FJH）技术在二维材料合成、金属回收、石墨和正极材料再生以及贵金属回收等方面的最新进展。FJH技术以其快速的加热和冷却能力、高能量利用效率、短合成时间以及显著降低的能耗，为二维材料的合成和电池材料的回收提供了新的解决方案。这些优势不仅为提高碱金属离子电池的能量密度和循环稳定性提供了新的思路，而且为推动FJH技术的产业化应用提供了理论依据。

FJH技术在材料合成和回收领域展现出显著的潜力，其快速的加热和冷却过程、高能量利用效率以及短合成时间，为材料科学领域带来了新的研究方向。尽管FJH技术具有多方面的优势，但在实际应用中仍面临一些挑战：

1. 能量输入需求：FJH技术需要较高的能量输入，这可能导致成本上升，需要进一步优化以降低能耗。
2. 能量控制的精确性：精确控制能量输入对于防止过热或过冷至关重要，当前对能量输入的控制尚需进一步提高。
3. 材料的耐受性：FJH技术要求材料能够承受高温和高压，这限制了其在某些应用场景中的使用，需要开发新的材料以适应这些条件。

为了克服这些挑战并进一步推动FJH技术的发展，未来的研究应聚焦于：

1. 新材料的开发：开发能够提高FJH技术稳定性和耐久性的新材料，以适应高温和高压的环境。
2. 能量控制方法的探索：探索新的方法以实现对FJH技术能量输入的更精确控制，以提高过程的效率和安全性。
3. 活性位点的引入和材料的微纳结构设计：利用FJH技术引入活性位点和设计微纳结构，以制备高效的催化剂和具有特定性能的纳米材料。
4. 二维半导体材料的合成：FJH技术在二维半导体材料的合成中展现出潜力，未来的研究应进一步探索其在原子替代和掺杂方面的能力，以合成更复杂的二维半导体结构。

FJH技术的发展对于工业规模生产具有重要意义，特别是在高性能二维器件的制造中。通过优化电解液、粘结剂和电极结构，FJH技术有望进一步提高碱金属离子电池的能量密度和循环稳定性，推动微型合金负极材料的产业化应用。

总之，FJH技术在材料合成和回收领域具有巨大的潜力，但仍需克服一些技术和成本上的挑战。未来的研究和发展将集中在提高能量效率、精确控制能量输入、开发新材料以及拓展FJH技术在二维半导体等领域的应用，以实现更高效、环保的制造过程。

文献信息

Yaohui Wang, Zhu Ding, Muhammad Ahsan Iqbal, Nayab Arif, Luyan Li, Peng Li, Yu-Jia Zeng. Flash Joule heating technology in two-dimensional materials and beyond, FlatChem, 2024, 100765, ISSN 2452-2627.

https://doi.org/10.1016/j.flatc.2024.100765.

作者简介

通讯作者

曾昱嘉，深圳大学教授，博导，比利时鲁汶大学（KU Leuven）物理系访问教授、合作博导，德国Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)合作博导。2003年本科毕业于浙江大学，2008年博士毕业于浙江大学，2008-2015在鲁汶大学先后担任博士后与研究员。主要从事低维磁性与光电材料及自旋电子器件方面的研究工作，发表SCI论文200余篇，其中包括Nature Communications, Advanced Materials, Nano Letters, Journal of the American Chemical Society, Matter, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Materials Horizons, Nano Today等论文，引用9800余次，H因子=49，ESI高被引论文9篇，授权国家发明专利10项，参与获得浙江省科学技术奖一等奖3项。连续入选斯坦福大学全球前2%科学家年度科学影响力排行榜(2019-2022)，长期担任Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, Nano Letters, Materials Today, Joule, Energy & Environmental Science等60余个国际知名期刊审稿人，担任欧盟FLAG-ERA项目、国家自然科学基金项目、科技部重点专项评审人。

通讯作者

李朋，山东理工大学化学化工学院副高、能源化工系副主任，比利时鲁汶大学物理学博士，韩国汉阳大学能源工程工学博士，曾于韩国汉阳大学担任BK博士后研究员，现任美国加州大学欧文分校物理与天文学院客座研究专员。他的研究领域集中于新能源材料与器件，已在Energy Storage Materials、ACS Nano、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Chemical Science等期刊发表多篇论文，并担任《Batteries》和《当代化工研究》等期刊的青年编委。。李朋曾获得山东省海外科技人才、淄博市储能产业链“科技副总团”团长、淄博市高新区绿色能源产业专家等荣誉，并荣获中国驻韩国大使馆教育处“优秀公派博士生”、中国石油大学学术十杰提名奖、博士研究生国家奖学金以及山东省优秀硕士论文等奖项。