閃蒸焦耳熱技術制備和調控煤基石墨烯取得進展

石墨烯優秀的物理化學性能和廣闊的應用前景，在生物醫藥、電子通訊、航空航天、儲能等領域都有廣泛的應用。石墨烯制備方式主要分為：自上而下（top-dowm）"和“自下而上（bottom-up）"兩大類。目前，“自上而下"的制備方式主要是氧化還原法。但由于使用藥品具有強氧化性和還原性，反應過程周期長且存在一定的危險性，且制備的石墨烯結構存在缺陷，導電和導熱性不如機械剝離或CVD制備石墨烯。“自下而上"法是利用其他碳源，通過裂解沉積等方法，實現石墨烯的生產。其中化學氣相沉積法（CVD）是目前制備高品質石墨烯好的方法，但是由于方法耗能較多，成本高且產量較低，無法大規模的投入日常生產。

無論是自上而下法還是之下而上法對于石墨烯制備的原材料純度要求較高，并且存在生產周期較長、工藝復雜或成本較高等現實因素的制約，這些都限制了石墨烯行業的長足發展。最近發展起來的焦耳熱閃蒸方法利用電容產生電弧放電，在短時間內獲得超過3000K的溫度，并快速冷卻調整碳源（生物炭、炭黑、廢棄食品、橡膠輪胎和混合塑料廢物）內部碳原子結構，單次可制備克級石墨烯，為石墨烯制備提供了新的思路。

中國礦業大學朱榮濤課題組和文天精策儀器科技（蘇州）有限公司合作開發了焦耳熱閃蒸系統，并利用該系統，以價格低廉、性質穩定的煤瀝青為碳源，成功制備出了煤基石墨烯，并詳細分析了閃蒸工藝參數對煤瀝青基石墨烯表面自由基的影響。本研究利用閃蒸焦耳熱對煤瀝青石墨烯進行了結構調控，并對閃蒸處理前后煤瀝青的形貌、結構、化學組成等進行了表征。結果表明，閃蒸后樣品具有良好的石墨烯的二維形貌結構。進一步，利用焦耳熱閃蒸技術對煤瀝青基石墨烯的結構缺陷、含氧官能團進行了有效調控，以調節煤瀝青基石墨烯表面自由基濃度。并將具有不同自由基濃度的石墨烯作為超級電容器的電極材料，研究了閃蒸煤瀝青石墨烯的電化學性能。結果發現，閃蒸后的煤瀝青基石墨烯相比未處理的原始樣品表現更高的容量和良好的倍率性能，且具有動力學穩定性、較高的化學反應性和高的電荷傳輸速率。該焦耳熱閃蒸技術工藝簡單、設備要求低、綠色環保，對實現炭材料的結構調控和性能改良具有良好的啟示作用。相關成果以中國礦業大學為第一單位，發表在化工領域頂刊《Chemical Engineering Journal》上。（Pengfei Huang, Rongtao Zhu, Xinxi Zhang, Wenjun Zhang，Effect of free radicals and electric field on preparation of coal pitch-derived graphene using flash Joule heating，Chemical Engineering Journal 450 (2022) 137999）

圖1 （a） 不同電壓下的閃蒸樣品；（b） 不同時間下的閃蒸樣品；（c）不同電壓下閃蒸樣品的光學照片；（d）不同時間下閃蒸樣品的光學照片

圖2 EPR表征閃蒸煤瀝青樣品 （a）不同閃蒸電壓下獲得的EPR信號；（b）不同閃蒸電壓下獲得的EPR信號的自由基濃度和g因子大小；（c）不同閃蒸時間下獲得的EPR信號；（d）不同閃蒸時間下獲得的EPR信號的自由基濃度和g因子大小。

圖3（a,b）不同電壓和時間下拉曼光譜圖，（c）拉曼光譜的分峰譜圖（d,e）ID/IG和La隨電壓和時間的變化