图1 (a) FJH过程示意图及闪蒸过程中温度随时间升高的曲线。(b)-(d) 炭黑制备的FG和咖啡衍生单层FG的高分辨TEM图像。(e) FG在水-普朗尼克(F-127)溶液(1%)中的分散情况。(f) FG在各种有机溶剂中的分散情况(5g/l)。(g) 硼(B)、氮(N)和硫(S)共掺杂闪蒸石墨烯的STEM图像及相应元素分布。
FJH技术能够在极短时间内(毫秒级)将各种碳源转化为高质量闪蒸石墨烯(FG)。制备的FG具有无序堆叠的石墨烯层结构，产率高达80-90%，纯度超过99%，无需纯化步骤。FG表现出优异的分散性，在水和有机溶剂中均能均匀分散，且合成能耗低，约为7.2千焦/克。通过FJH技术还可以实现多种杂原子(B、N、O、P、S等)掺杂，显著改善石墨烯的电子结构和电化学性能。
图2 (a) GOFs电热还原的实验过程及电热还原(焦耳加热)时 radiating CGF 的光学图像。(b) 在不同最大输入电流水平下处理的CGF和EGF样品的拉曼光谱(λex = 532 nm)。(c) 不同还原方法对石墨烯纤维的还原时间和电导率的比较分析。
焦耳加热技术能够有效修复氧化石墨烯纤维(GOFs)中的缺陷。通过调节输入电流可以控制加热温度，实现快速、环保、节能地恢复GOFs中的sp²晶格结构。经JH处理的化学还原-氧化石墨烯纤维实现了1020 S/cm的高电导率，与块状石墨相当(约10³ S/cm)，并且与连续纤维纺丝工艺兼容。与传统还原方法相比，焦耳加热法具有处理时间短、电导率高的优势。
图3 (a) FJH相转换示意图。插图为2H和1T相从侧面和顶面的原子结构示意图。(b)和(c) 从50ms到400ms不同闪蒸时间范围的Mo 3d和S 2p高分辨率XPS谱图。
FJH技术能够实现过渡金属二硫化物(MoS₂和WS₂)从2H相到1T相的快速体相转换，转换过程仅需几毫秒。通过添加钨粉作为导电添加剂，闪蒸MoS₂的转换率显著提高，最高可达76%。第一性原理密度泛函理论计算表明，FJH的高电流和大能量输入导致结构缺陷(如S空位)的形成和负电荷的积累，实现了亚稳态1T相的体相转换和稳定化。通过调节FJH条件(如添加剂和反应持续时间)，可以控制和实现不同程度的相转换。
图4 (a) 从BH₃NH₃和碳通过FJH形成f-BCN的示意图，以及(b) FJH过程中样品的实时温度监测。(c)和(d) f-BN和商业h-BN在不同沉降时间后的UV-vis吸收光谱。(e)裸Cu、(f) Cu-PVA、(g) Cu-PVA-h-BN和(h) Cu-PVA-f-BN在0.5M H₂SO₄中电化学防腐测试后的光学图像。(i)裸Cu、(j) Cu-PVA、(k) Cu-PVA-h-BN和(l) Cu-PVA-f-BN在3.5wt% NaCl(aq)中电化学防腐测试后的光学图像。
采用固态FJH系统合成了具有无序结构的涡轮层状硼-碳-氮化物(f-BCN)和无碳闪蒸BN(f-BN)。该方法在超快速率(10³至10⁴K/s)下将含硼-碳-氮材料加热到几千摄氏度，然后以同样快的速率迅速冷却，在毫秒级的反应时间内实现了f-BCN和f-BN的合成。实验结果表明，合成的f-BCN和f-BN材料表现出高质量的无序结构和优异的性能，如良好的分散性和稳定性。与商业h-BN相比，f-BCN在1wt%普朗尼克(F-127)水溶液中形成的分散体表现出更高的时间稳定性。当应用于铜表面涂覆的纳米复合薄膜时，f-BCN显著增强了铜在0.5M硫酸或3.5wt%盐水溶液中的耐腐蚀性。
图5 (a) 使用三电极配置进行MoS₂电沉积的示意图。(b) 本工作实现的电导率与先前研究的CNTF/MoS₂、纯MoS₂和其他纳米复合材料的比较。(c)和(d) CNTF/MoS₂(60% MoS₂)样品在直流加热前后的数字图像。
采用JH技术制备了CNT织物和无机相(MoS₂)纳米结构复合材料。该方法首先将MoS₂电化学沉积在导电CNT束单向织物上，然后利用直流电通过CNT产生的热量从内到外结晶MoS₂层。这使得CNTF/MoS₂复合材料在几分钟内快速制备完成，效率显著高于传统的湿法处理和炉加热方法。通过焦耳加热制备的CNTF/MoS₂复合材料表现出高电导率(1.72(±0.25)×10⁵ S/m)、高拉伸模量(8.82±5.5 GPa)和高纵向拉伸强度(200±58 MPa)，这些性能超过了钢的比强度。
图6 (a) F-rGO-5在电流密度为1A/g时的循环性能。(b) F-rGO-5阳极工作机制示意图。(c)-(e) 原始CC和NiCo LDH@CC的SEM图像。(f) NiCo-LDH@CC//Zn碱性电池的循环性能。(g) NC-ZMBs的循环性能。(h) HTS合成正极材料的示意图描述。(i)和(j) HTS合成的LiMn₂O₄在1C下的循环性能和倍率性能。(k) HTS合成的富锂层状氧化物/NiO异质结构正极材料在0.1C下的循环性能。
采用FJH技术有效还原了氧化石墨烯(rGO)，在1毫秒内去除了大量含氧官能团，制备了无复杂官能团的富缺陷石墨烯。独特的三维结构网络显著增强了锂离子存储容量，并适应了循环过程中阳极的膨胀。经过1000次充放电循环后(1A/g)，实现了2450 mAh/g的可逆容量。此外，基于焦耳加热的高温冲击(HTS)策略能够快速合成正极材料，包括LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiFePO₄和富锂层状氧化物/NiO异质结构材料。由于超高的加热和冷却速率以及极短的煅烧过程，这些材料表现出高纯度相、氧空位和超细粒径，促进了电化学性能的提高。
图7 (a) Ragone图以及在EMBMIF₄电解质中与一些类似报道材料的能量和功率密度比较。(b) UAPC//UAPC在100A/g下的循环稳定性。(c) 闪蒸石墨烯(FG)的TEM图像。(d) FNG和CB电极的雷达图，包括1A/g下的面积归一化电容(μF/cm²)、128A/g下的电容保持率(%)、RCT(Ω)、τ0(ms)和1A/g下的IR降(mV)。(e) CB和FNG基准固态SCs在10000次循环中的电容保持率和库仑效率。(f) MXene@CC、AJG@CC电极和组装的AJG@CC//MXene@CC不对称固态超级电容器(ASC)在10mV/s下的CV曲线。(g) ASC在1至1.6V工作电压窗口下测量的CV曲线。(h) 在90°和180°角度下连续重复弯曲5000次的弯曲稳定性测试。
基于焦耳加热的高温冲击(HTS)技术在10秒内合成了超细结构活化多孔碳(UAPC)，无需长时间高温和复杂的制备过程。UAPC具有丰富的N、O官能团和超细结构，提供了高孔隙率和大比表面积，从而提供了伪电容并改善了表面润湿性。在EMIMBF₄离子液体中，基于UAPC的超级电容器表现出高达129 Wh/kg的能量密度，远超过当前先进和商业超级电容器。此外，采用毫秒电流脉冲焦耳加热对穿孔石墨烯进行现场还原和活化，实现了多模态多孔框架的制备。通过瞬态电流调制来定制石墨烯的多峰孔隙率和表面功能性，制备的电极在对称双电极配置中表现出52.8 μWh/cm²的能量密度和高达380.2 mF/cm²的面积电容。
图8 (a) F-RG在电流密度为1C下的循环性能和库仑效率。(b)和(c) 废石墨和F-RG的SEM图像。(d)和(e) AW和FRA微粒。黄色箭头描绘了石墨颗粒的边界。AW:阳极废物。FRA:闪蒸回收阳极。(f) FRA与LiFePO₄阴极在0.5C下的循环性能。(g) RG、HTG和CG在电流密度为0.2A/g下的循环性能。RG:再生石墨。HTG:经过相同热处理但未添加Sn的废石墨。CG:商业石墨。(h)总能耗和(i)CO₂排放。(j) S-LCO修复过程示意图。S-LCO:废LiCoO₂。(k) S-LCO、R-LCO-Li-1440和R-LCO-Li-1440在0.2C下的循环性能。
采用改进的闪蒸焦耳加热(FJH)技术，在短时间内实现了大量废石墨的高效回收。高温环境(>3000K)确保了粘合剂、固体电解质界面(SEI)组分(包括LiF和Li₂CO₃)以及嵌入石墨层中的锂的高效去除。FJH方法在很短时间内将废石墨温度迅速升高到3000K，有效修复了石墨缺陷并重建了其晶体结构，使回收石墨的电化学性能接近新石墨。同时，电场引导导电剂和粘合剂的热解副产物，导致导电片状石墨烯和卷曲石墨烯的产生，这些石墨烯覆盖在石墨表面，增强了回收石墨的电导率，超过了新的商业石墨。再生石墨表现出优异的倍率性能和循环稳定性，在1C下实现了350 mAh/g的容量，500次循环后容量保持率为99%。