石墨烯——这一被誉为“未来材料之王”的二维碳纳米材料，正因其卓越的电气、光学和机械性能，在全球工业领域掀起一场革命。然而，传统的石墨烯生产方法存在成本高、工艺复杂、产量低等问题，严重制约了其大规模工业应用。近日，太原赛因新材料科技有限公司、山西大学、北京大学联合开发出新型高功率快速焦耳加热法（RJH），为石墨烯的批量生产带来了颠覆性的突破。相关论文公开在化学预印本文库Chemrxiv。
100-Gram Batch Production of Graphene Using High-Power Rapid Joule Heating Method
https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2024-0c0lk
一、焦耳热技术改进，效率倍增
这项研究的核心在于创新性地应用高功率快速焦耳加热技术，将100克炭黑在5分钟内加热至3000℃，以96%的高产率得到高性能少层涡轮层状石墨烯（RG），加热到冷却整个过程仅需10分钟。与传统方法相比，这一新技术的生产能耗仅为每千克石墨烯约5千瓦时（约0.5美元），不仅显著降低了成本，还极大地提高了生产效率。理论上，一台设备在实验室环境下即可实现年产5吨石墨烯，为石墨烯的工业开发和应用提供了强有力的支持。
图1. RJH方法生产石墨烯
二、石墨烯掺杂改性，拓展应用
除了实现石墨烯的大规模生产外，研究团队还通过向炭黑中添加硼氧化物和三聚氰胺等添加剂，成功实现了硼、氮及氮硼共掺杂石墨烯的批量生产。掺杂改性后的石墨烯，其局部结构发生改变，亲水性和导电性得到显著提升。这一发现为石墨烯在特定工业领域的应用提供了更多可能性，如作为增强复合材料、导电添加剂等，进一步拓宽了石墨烯的应用范围。
图2. 硼、氮及氮硼共掺杂石墨烯的性能
三、技术原理与实验验证
新型高功率RJH技术基于直流电放电原理，通过压缩炭黑颗粒并在石英管中实现高温加热，促进其石墨化转变。实验结果表明，经过3000℃高温处理5秒后，可获得高质量石墨烯粉末。透射电子显微镜（TEM）图像显示，所制备的石墨烯为少层结构，尺寸达数十纳米。此外，拉曼光谱、X射线衍射（XRD）等表征手段进一步证实了所制备石墨烯的高质量和涡轮层状结构。
图3. 硼、氮及氮硼共掺杂石墨烯的结构表征
四、展望未来，前景广阔
新型高功率RJH技术的成功开发，不仅为石墨烯的工业化生产提供了有力保障，还为石墨烯材料的性能调控和应用拓展开辟了新的途径。未来，随着该技术的不断优化和推广应用，石墨烯有望在更多领域发挥其独特优势，推动相关产业的快速发展。
五、结语
石墨烯作为新时代的“超级材料”，其性能和应用潜力无疑是巨大的。然而，要实现其大规模工业应用，还需要克服生产成本高、工艺复杂等难题。新型高功率快速焦耳加热技术的出现，为石墨烯的批量生产带来了颠覆性的突破。我们有理由相信，在不久的将来，石墨烯将以其卓越的性能和广泛的应用前景，成为推动全球科技进步和产业发展的重要力量。
赛因放大焦耳热装置FJH-50/300mL
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