石墨烯在电子、能源存储、结构增强、水过滤和医学等多个领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统的石墨烯合成方法，如机械剥离、液相剥离、化学气相沉积等，存在成本高、产量低或对环境不友好等问题，限制了其大规模应用。因此，探索一种可扩展、成本效益高的石墨烯合成方法，对于满足行业需求和推动石墨烯相关技术的发展具有重要意义。近年来，生物质废物作为可再生碳源引起了广泛关注，其丰富的碳含量和可再生性，为石墨烯的绿色生产提供了可能。
论文概要
本研究提出了一种利用生物质废物作为碳源，通过直流长脉冲焦耳加热技术（DC-LPJH）合成高质量涡层石墨烯的新方法。研究中优化了碳化过程，并将生物质衍生的碳与碳黑和涡层石墨烯混合，实现了克级涡层石墨烯的快速生产。通过施加18 kJ的电能脉冲，使碳原子在约3000 K的高温下重新排列，形成有序的涡层石墨烯。实验结果表明，该方法合成的涡层石墨烯具有高质量的结构和较低的缺陷密度，且生产过程能耗低，具有良好的成本效益。这一研究为从低成本碳源合成高质量涡层石墨烯提供了一种高效途径，有望在复合材料、聚合物和建筑材料等领域得到广泛应用。
图文解读
图2：从生物质废物中制备碳粉的碳化过程示意图，该过程在氩气氛围下进行，通过机械粉碎、压制成颗粒并在管式炉中进行碳化处理。
图3：利用直流长脉冲焦耳加热技术（DC-LPJH）合成涡层石墨烯的机制示意图，展示了设备结构、电能脉冲的施加方式以及碳原子在高温下的重排过程。
图4：（A）DC-LPJH合成涡层石墨烯的设备结构示意图；（B）装填有碳粉的石英管在真空室中的安装方式；（C）DC-LPJH过程中的温度变化曲线，记录了施加电能脉冲时碳粉的温度变化。
总结展望
总之，本研究利用直流长脉冲焦耳加热技术，从生物质废物中成功合成了高质量的涡层石墨烯。通过多种分析手段确认了其石墨烯样性质，揭示了部分氧化、不同程度的石墨化及含氧官能团的存在。生物质的元素组成显著影响石墨烯的产量和质量，高碳含量的生物质可生成更有序、缺陷更少的石墨烯，而高氧含量的原料则使材料表面反应性增强。尽管该方法在可扩展的石墨烯生产方面潜力巨大，但在更大规模生产时，确保均匀加热和控制材料性能仍面临挑战。未来研究应集中于通过杂原子掺杂提升其电学和化学性能，评估在复合材料中的力学性能，测试在能源存储中的电化学性能，同时探索其在环境领域的应用潜力，如CO₂捕获和污染物吸附，并深入研究其催化和传感性能，以拓宽应用范围。
文献信息：Watcharamaisakul, S.; Janphuang, N.; Chueangam, W.; Srisom, K.; Rueangwittayanon, A.; Rittihong, U.; Tunmee, S.; Chanlek, N.; Pornsetmetakul, P.; Wirojsirasak, W.; et al. Synthesis of Turbostratic Graphene Derived from Biomass Waste Using Long Pulse Joule Heating Technique. Nanomaterials 2025, 15, 468. https://doi.org/10.3390/nano15060468
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