Carbon and Carbon/Metal Hybrid Structures Enabled by Ultrafast Heating Methods

超快加热方法制备的碳及碳/金属杂化结构

Leo Lai, Jing Li, Yeyu Deng, Zixun Yu, Li Wei*, and Yuan Chen*

悉尼大学化学与生物分子工程学院

DOI: 10.1002/sstr.202200112

PDF原文

Small Structures 期刊, 2022年

论文亮点

  1. 超快加热方法（焦耳加热、激光、光和微波照射）能够实现比传统方法快几个数量级的加热速率（高达10^5 K/s），达到更高温度（如3000K）
  2. 这些方法能够合成新型碳材料和碳/金属杂化结构，包括涡轮层石墨烯、环境响应型rGO/GO杂化物、高导电性焊接rGO膜和CNT结构、均匀金属合金纳米颗粒、高熵合金纳米颗粒和稳定单原子催化剂

研究背景

研究方法

1. 焦耳加热

电流通过导体时产生热量，称为焦耳加热或欧姆（电阻）加热。焦耳加热直接加热碳前体有几个独特优势：加热和冷却速度比传统方法快几个数量级；可以基于碳前体的局部电阻引入受限高温点；可以显著降低与碳化/石墨化相关的能耗。

2. 激光照射

激光束可以在固体材料表面产生高温点，高到足以进行碳化/石墨化。激光照射有两个优点：通过开关激光束可以轻松实现快速加热和冷却；可以实现更精确的加热部位控制。

3. 光照射

除了激光，许多强光源（如氙灯、紫外灯甚至常规相机闪光灯）已通过光热效应用于加热碳前体。光照射的关键优势是它可以实现比激光照射大得多的照射面积。

4. 微波照射

微波照射将快速交替的电磁场应用于导电材料，驱动快速电子运动，产生局部焦耳加热。与传统加热方法相比，微波加热通常更快、更节能，并且可以更快速地在开关状态之间切换。

主要结论

图片内容与分析

图1：超快加热方法示意图

图1：a) 焦耳加热焊接碳纤维示意图和显示加热装置的照片；b) 卷对卷焦耳加热法制备rGO膜的示意图和加热rGO膜的照片；c) 使用焦耳加热过程生产石墨烯的示意图、温度-时间图和生产的不同尺寸设备中填充石墨烯材料的照片；d) 激光照射将GO膜转化为rGO膜的示意图及其扫描电子显微镜图像；e) 微波照射将MOF/石墨烯混合物转化为碳负载催化剂的示意图

分析：图1展示了四种超快加热方法的实验装置和效果。焦耳加热可以通过直接通电实现快速升温，激光和光照射通过光热效应实现局部加热，微波照射则通过电磁场作用实现整体加热。这些方法都能在极短时间内达到高温，实现碳材料的快速转化和功能化。

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图2：激光书写和涡轮层石墨烯

图2：a) 在PI膜上激光书写的示意图、"R"形图案的照片和石墨烯纤维的SEM图像；b) 涡轮层石墨烯和用作电极的铜绒的照片以及具有旋转失配和摩尔图案的石墨烯片的TEM图像；c) 化学还原GO纤维在焦耳加热处理下结构演变的示意图；d) 在GO纤维不同区域定位激光还原的示意图、rGO/GO杂化纤维在暴露于湿气时的可逆响应照片以及在不同暴露时间下暴露于80%相对湿度环境的响应纺织品

分析：图2展示了超快加热方法在制备特殊碳结构方面的应用。激光书写可以创建精确的图案，焦耳加热可以改善碳材料的结构和性能。特别值得注意的是，rGO/GO杂化结构表现出对环境刺激（如湿度）的响应行为，这为开发智能材料和器件提供了新途径。

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图3：SPS系统和CNT焊接

图3：a) SPS系统的示意图和加热机制；b) 两个重叠CNT纤维焊接的示意图和照片；c) 通过超快加热焊接聚合物涂层CNT的示意图和加热CNF膜的照片以及焊接前后CNT的SEM图像；d) 在碳化木材受限空间内形成CNT的示意图和SEM图像；e) 生产焊接CNT/玻璃纤维的卷对卷工艺示意图、两张照片和加热CNT/玻璃纤维的红外图像

分析：图3展示了超快加热方法在制备碳杂化结构和碳/金属杂化结构方面的应用。SPS系统结合了等离子体活化、热压和焦耳加热，可以实现快速加热。焦耳加热可以用于焊接CNT纤维和连接碳材料，微波照射可以用于制备碳负载金属催化剂。这些方法为制备高性能碳基材料和器件提供了新策略。

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图4：金属纳米颗粒形成

图4：a) 使用焦耳加热rGO膜的热辐射在rGO膜上形成Si纳米颗粒的示意图；b) 在CNF和活化CNF上形成Ru纳米颗粒的示意图；c) 使用纤维素涂层在碳化碳纸上合成Cu纳米颗粒的示意图；d) 飞越式高温反应器的示意图和金属盐前体热分解为锚定在碳黑上的金属纳米颗粒；e) 催化驱动的液态金属滴裂变/融合形成均匀分散HEA纳米颗粒的示意图以及显示HEA动力学形成与冷却速率函数关系的时间-温度-转变图

分析：图4展示了超快加热方法在制备碳负载金属纳米颗粒方面的应用。这些方法可以实现金属前体的快速分解和金属纳米颗粒的均匀分散。特别值得注意的是，催化驱动的液态金属滴裂变/融合机制可以用于制备高熵合金纳米颗粒，这为制备多组分合金材料提供了新思路。

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图5：单原子催化剂合成

图5：a) 通过微波照射石墨烯、苯胺和Pt前体合成Pt SACs的示意图；b) 激光照射负载Pt前体的GO膜形成Pt SACs的示意图；c) 通过焦耳加热合成SAC的示意图；d) Pt-Pt和Pt-C键的键能以及焦耳加热前后不同键的统计分布；e) 单Pt原子在缺陷石墨烯表面分散的分子动力学模拟以及随后在1500K退火

分析：图5展示了超快加热方法在制备碳负载单原子催化剂方面的应用。微波照射、激光照射和焦耳加热都可以用于制备单原子催化剂。分子动力学模拟表明，Pt-C键的键能高于Pt-Pt键，这解释了为什么在适当条件下可以形成稳定的单原子催化剂而不是金属纳米颗粒。这些发现为设计和制备高效单原子催化剂提供了重要指导。