南昌大学/中科院南京土壤研究所/阿德莱德大学J. Mater. Chem. A综述:超快焦耳加热下的先进材料绿色制造新范式

1. 技术原理与发展历程

UJH技术的发展历程如图1所示，经历了从金属材料合成到废弃物转化，再到规模化评估的阶段。其技术实现核心如图2，主要包括管式与板式两种反应器，以及交流（AC）和直流（DC）两种供电模式。AC模式可实现较长的反应时间（秒/分钟级），而DC模式则以毫秒级脉冲释放高密度能量，达到瞬时超高温。

图1. 超快焦耳加热技术合成先进功能材料的历史发展脉络图

图2. UJH装置示意图、电路图及实时反应现象

2. 碳材料的合成与结构调控

UJH可将生物质、塑料等碳源一步转化为石墨烯。图3揭示了该过程的核心机理：电流降低了石墨化活化能，超快动力学抑制了不利的相变过程，同时杂原子挥发驱动碳原子重排形成高质量晶格。合成结果可通过参数精确调控：如图4所示，电压、反应时间等参数直接决定了产物的石墨化程度、层数及缺陷状态。

图3. UJH技术合成碳质材料的原理与机制示意图

图4. 碳质材料合成的影响因素及结构演化

3. 高熵材料的合成机制

UJH为多元素均相合金的合成提供了独特方案。图5阐明了其热力学与动力学基础：超高温提供巨大的构型熵，驱动吉布斯自由能下降，促使多元素形成单相固溶体；紧随其后的超快冷却则动力学地“冻结”了这一亚稳态，有效抑制了元素的偏析与团聚。图6进一步表明，成功合成依赖于前驱体元素的选择、UJH参数对温度历程的控制，以及碳基底对金属颗粒的锚定作用。

图5. 高熵材料合成的热力学与动力学分析

图6. 高熵材料合成的影响因素与结构表征

4. 金属-碳复合材料的制备

UJH适用于制备高分散的金属-碳复合材料。图7展示了合成单原子催化剂的典型路径：超快热冲击使金属前驱体分解并经历“纳米颗粒→团簇→单原子”的细化过程，碳基体上的缺陷作为锚定点稳定了高表面能的单原子。产物的最终相态（金属、氧化物或碳化物）可通过反应条件进行控制，其热力学判据如图8中的吉布斯自由能分析所示。

图7. UJH技术合成金属-碳复合材料的原理与过程

图8. 金属-碳复合材料合成的影响因素与相调控

5. 材料结构的表征方法

合成材料的结构需通过多尺度表征予以确认。对于碳材料，图9显示拉曼光谱中特征峰的强度比（如I_G/I_D, I_2D/I_G）是定量评估其石墨化度与层数的关键指标。对于高熵材料，图10表明需要借助HAADF-STEM、X射线吸收谱（XAS）及原子电子断层扫描（AET）等先进技术，在原子尺度证实其元素均匀分布、局域配位环境及三维晶格应变。

图9. 碳质材料的结构表征图谱

图10. 高熵材料的高级结构表征

6. 应用性能展示

UJH合成的材料在多个领域展现出应用潜力。图11证实了该技术可将废塑料快速转化为碳纳米管。图12展示了基于不同金属饱和蒸气压的差异，UJH可用于从电子废弃物中选择性回收贵金属与稀土元素。在环境催化方面，图13汇总的案例表明，UJH制备的多孔石墨烯、金属异质结及高熵合金等材料，在降解污染物、还原硝酸盐等反应中表现出高活性。

图11. UJH技术将废塑料转化为碳纳米管的合成与机制

图12. UJH技术用于贵金属回收与稀土元素浸出性提升

图13. UJH合成材料在环境催化中的应用实例

7. 规模化与可持续性评估

为实现产业化应用，连续化生产是必要路径。图14指出，开发集成自动化控制的“卷对卷”系统是突破批次反应限制、实现稳定高产的关键。对该技术的全生命周期评估（LCA）数据如图15所示：与传统生产方法相比，利用生物质废弃物通过UJH生产石墨烯，可降低约90%的碳排放和80%的成本。

图14. UJH规模化合成与连续生产系统设计

图15. UJH技术的生命周期评估与环境效益分析

本综述系统阐明，超快焦耳加热 作为一种基于电能瞬时转换的极端非平衡合成策略，通过精确调控电压、时间、电阻等参数，可直接操纵反应体系的超高温（≤4000 K）、超快升降温速率（~10⁵ K/s）及内置电场等关键条件。该策略从动力学上有效抑制了金属原子的扩散团聚与不利相分离，同时热力学上促进了高熵固溶体形成及碳原子的快速重排石墨化，其核心机制在于电场辅助降低了纳米晶成核能垒，并通过“闪速淬火”将亚稳结构（如单原子、高熵相、涡轮层状石墨烯）冻结保存。由此制得的一系列先进功能材料（如高缺陷耐受性石墨烯、多组元均质高熵合金、碳锚定单原子催化剂）在微观结构上表现出高度可调性，进而赋予了其卓越的宏观性能，如在环境催化中展现高活性与稳定性、在能源转换中实现低过电位、在废物升级回收中达成高价值转化。这种“高效合成-结构定制-性能强化”的链条，结合生命周期评估证实的低能耗、低排放与低成本优势，确立了UJH作为一种革命性、可持续材料制造平台的巨大应用价值。未来可探索将原位先进表征与多尺度模拟、高通量实验及机器学习深度融合，以更精准地解析UJH动态过程、预测材料构效关系，并推动其向塑料闭环回收、陶瓷合成、智慧农业等更广阔领域拓展，最终实现从实验室创新到大规模工业应用的跨越。

文献信息：Ultrafast Joule heating : Synthesis-structure-property relationships and sustainable application. Fengbo Yu,   Jiewen Luo,   Jiaqi Zhu,   Xiaoguang Duan,   Jing Wang,   Jian Ji,   Guobo Li,   Shaobin Wang,   Xiangdong Zhu  and  Honggen Peng  . DOI: https://doi.org/10.1039/D5TA08766J. J. Mater. Chem. A, 2026.

超快高温焦耳热冲击技术推广 

焦耳高温加热技术（如闪蒸与快速焦耳热技术）是材料科学领域的一项革命性突破。其技术基石是焦耳定律，通过施加瞬时大电流，可在毫秒至秒级时间内将材料加热至3000℃的超高温。这种无与伦比的升温速率与精准控温能力，实现了对材料制备过程的极限调控，为新材料合成与性能研究开辟了新路径。相较于马弗炉、管式炉等传统方法，该技术在效率和可控性上实现了革命性跨越。

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