石墨烯在工业领域有着巨大的市场需求，但传统生产方法的高成本和复杂性限制了其应用。新开发的基于电容放电的闪光焦耳加热方法为石墨烯提供了一种经济高效的生产替代方案，但批量产量仍局限于克级水平。本研究提出了一种基于直流放电的高功率快速焦耳加热（RJH）方法，以实现石墨烯的大规模生产。借助这种高功率RJH系统，100克炭黑可以在短短几分钟内快速加热到3000℃，促进其石墨化转变，从而显著提高石墨烯生产效率。详细的表征证实了高质量涡轮层快速石墨烯（RG）的成功合成，生产能耗仅为~5 kWh kg−1（根据当前的能源价格约为0.5 kg−l美元）。因此，理论上每年可以在实验室生产5吨石墨烯用于工业应用。此外，通过添加氧化硼和三聚氰胺作为添加剂，可以直接大规模生产硼、氮和氮硼共掺杂的RG。掺杂会改变RG的局部结构，从而增强其疏水性和导电性。这项工作有望显著加快石墨烯的低成本批量生产过程，从而拓宽其工业应用。
实验方法
在整个焦耳加热过程中，温度传感器实时监测温度信号，并将其传输到PLC的PID（比例积分微分）控制器。控制器调节电源的输出电压和电流，以管理加热、维护和冷却阶段，确保最高温度可以保持在约3000℃持续5秒。自然冷却后，获得石墨烯以供进一步研究。
图文摘要
图 1. 大功率 RJH 设备示意图（a）和焦耳加热过程（b）。
图 2. 使用 RJH 工艺从导电炭黑中制备的石墨烯颗粒照片（a）、分别标尺为 1 μm （b）和 100 nm （c）的产品 SEM 图像、炭黑的 TEM 图像（d）以及分别标尺为 100 nm （e）和 10 nm （f）的产品 TEM 图像。
主要结论
在这项工作中，我们开发了一种高功率RJH方法，用于高产率大规模生产石墨烯。高功率RJH工艺使用放大的焦耳加热系统，在石英管中压缩100克炭黑，在几分钟内达到3000摄氏度的温度。将炭黑转化为石墨烯的过程包括预热和石墨化阶段，能耗极低，约为每公斤5千瓦时，相当于每公斤0.50美元的成本。理论上，一个设备每年有可能产生多达5吨的石墨烯。氧化硼和三聚氰胺等添加剂用于直接大规模生产掺杂石墨烯。N-RG显示出减少的薄层，而BRG和BN-RG显示出更厚的薄层和更高的电导率。因此，这些添加剂对改变RG的局部结构和质量具有重大吸引力。考虑到卓越的能源和时间效率、良好的产品均匀性和结构可修改性的非凡优势，我们预计这种高功率RJH方法在大规模生产方面具有巨大的潜力。
文献链接
Mass production of graphene using high-power rapid joule heating method
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159725
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