閃蒸焦耳熱毫秒級將炭黑轉化為石墨烯，低碳水泥強度提升161%

研究背景

有機固體廢棄物（如塑料）的全球年產量已超過4億噸，其高效處理與資源化利用是環境可持續發展的重大挑戰。熱解技術雖能將有機廢物轉化為能源，但副產物——熱解炭黑（PCB）因石墨化程度低、灰分含量高，長期局限于輪胎填料、工業顏料等低值應用。與此同時，傳統石墨烯合成方法（如機械剝離、化學還原、化學氣相沉積）存在耗時長、成本高、使用化學溶劑等問題，且所得石墨烯在水泥基體中易團聚，限制了其在建筑材料中的規?；瘧?。因此，如何將低品質炭黑高效轉化為高質量石墨烯，并用于增強低碳水泥基復合材料，成為兼具固廢高值化與建筑碳減排雙重意義的關鍵科學問題。

論文概要

2026年04月14日，浙江大學王磊團隊在《Environmental Research》期刊發表題為“Green Synthesis of Graphene by Flash Joule Heating for Reinforcing Low-carbon Cement-based Composites”的研究論文。本研究采用閃蒸焦耳熱（FJH）技術，在毫秒級時間內將廉價炭黑轉化為高質量閃蒸石墨烯（FG），并將其用于增強粉煤灰（PFA）基低碳水泥復合材料。該技術利用高電壓電容放電產生毫秒級脈沖電流，在樣品內部形成極端熱瞬態（峰值溫度>3000 °C，加熱/冷卻速率分別達3.37×10? °C/s和4.45×103 °C/s），驅動碳原子鍵的快速斷裂與重排，同時揮發非碳元素，從而在毫秒內將廉價炭黑轉化為高質量閃蒸石墨烯（FG）。通過優化放電參數（200 V，0.5 s），所制FG具有渦輪層堆疊結構、層間距擴大（0.343 nm）、缺陷極少（ID/IG低至0.05）、sp2碳純度高達96.15%。將該FG用于增強粉煤灰（PFA）基低碳水泥復合材料，結果表明：添加0.20 wt.% FG可使水泥28天抗壓強度提升161%，并加速水化反應、優化孔結構。生命周期評估顯示，FG增強水泥可減少30%碳排放，性能-成本指數提升144%。該研究實現了固廢高值化與低碳建材開發的有效耦合。

圖文解析

圖1. FG制備流程示意圖

該圖展示了從炭黑到閃蒸石墨烯的FJH制備流程：將炭黑填入石英管中，兩端由石墨塊密封并施加壓力以控制電阻；在真空條件下（0.01 MPa），電容器組瞬時放電，產生毫秒級高電流脈沖，使樣品在極端高溫（>3000 °C）下快速轉化為FG。整個過程無需溶劑，加熱/冷卻速率可達10? °C/s量級，體現了FJH技術的高能效與綠色特性。

圖1. 閃蒸石墨烯（FG）的閃蒸焦耳熱（FJH）制備流程示意圖。

圖2. FJH過程的電流與溫度曲線

圖2a和2b顯示，在200 V固定電壓下，放電時間從0.1 s延長至1.0 s，峰值電流和峰值溫度均下降，其中0.5 s時峰值溫度達3600 °C，而0.1 s時因石英管破裂僅達2400 °C。圖2c表明，在0.5 s條件下，峰值溫度隨電壓升高先增后減，200 V時達3500 °C。圖2d展示200 V、0.5 s時的典型曲線：電流在0.1 s內升至280 A，樣品溫度以3.37×10? °C/s速率上升，冷卻速率達4.45×103 °C/s。這些極端熱條件促進了非碳元素的揮發和碳原子重排，是實現炭黑向石墨烯高效轉化的關鍵。

圖2. 不同放電參數下FJH過程的電流與溫度變化曲線：(a) 不同放電時間的電流曲線；(b) 不同放電時間的溫度曲線；(c) 不同放電電壓下的峰值溫度；(d) 200 V、0.5 s條件下的溫度與電流曲線。

圖3. FG的化學表征

圖3a的XRD圖譜顯示，200 V下FG的(002)峰位于26.06°，對應層間距0.343 nm，大于傳統AB堆疊石墨烯（0.335 nm），且(100)峰較弱，證實其渦輪層結構。圖3b的拉曼光譜中，D峰（1355 cm?1）極弱，G峰（1583 cm?1）尖銳，ID/IG低至0.05，I2D/IG高達2.5，表明FG缺陷極少、層數少。TS?（1886 cm?1）和TS?（2029 cm?1）峰進一步證實渦輪層堆疊。圖3c的XPS譜顯示，隨電壓升高，O 1s信號減弱，200 V時完全消失，C1s擬合表明sp2碳占比達96.15%，遠高于原始炭黑（62.13%）。這些結果證明FJH顯著提升了炭黑的石墨化程度和純度。

圖3. 不同放電電壓下所得閃蒸石墨烯（FG）的化學結構表征：(a) XRD圖譜；(b) 拉曼光譜；(c) XPS全譜。

圖4. 不同電壓下FG的SEM圖像

SEM圖像顯示，原始炭黑（圖4a）為無定形顆粒，表面粗糙，無明顯層狀結構。在150 V處理下（圖4b），產物中出現明顯層狀堆疊，表明部分炭黑轉化為石墨烯。當電壓升至200 V時（圖4c），石墨烯片層顯著增大，形成多面體狀堆疊結構，層狀發育良好，證實高電壓促進了石墨化程度的提升。

圖4. 原始炭黑與不同放電電壓下合成FG的掃描電鏡（SEM）圖像：(a) 炭黑；(b) 150 V合成FG；(c) 200 V合成FG。

圖5. 炭黑與FG的TEM圖像

圖5a顯示原始炭黑為致密無定形顆粒。圖5b顯示200 V下合成的FG呈現少層（<10層）片狀結構，實測層間距約0.37 nm，顯著大于傳統石墨烯的0.335 nm。這種擴大的層間距源于FJH超快冷卻過程抑制了AB堆疊的有序排列，有利于溶劑分子插層和FG在水泥基體中的分散。

圖5. 原始炭黑與FG的透射電鏡（TEM）圖像：(a) 炭黑；(b) 200 V合成FG。

圖6. FG對水泥水化反應動力學的影響

圖6a顯示，與對照組（PG0）相比，添加0.20 wt.% FG（PG20）的水化放熱峰提前1.1小時出現，峰值熱流從1.24 mW/g升至1.49 mW/g。圖6b表明，FG顯著提高了累計放熱量。這些結果說明FG為水泥水化產物（如C-S-H凝膠）提供了額外的成核位點，加速了水泥礦物的溶解與沉淀動力學，尤其對高PFA摻量體系具有顯著的早強促凝作用。

圖6. 不同FG摻量下水泥漿體的水化反應動力學曲線：(a) 熱流曲線；(b) 累計放熱量曲線。

圖7. FG-水泥復合材料的熱重分析

圖7a和7b顯示，3天時FG樣品中C-S-H凝膠和氫氧化鈣（CH）含量略高于對照組，證實FG促進了早期水化。圖7c和7d顯示，28天時FG樣品中水化產物進一步增加，歸因于PFA的火山灰反應與FG持續成核效應的協同作用?；瘜W結合水含量在0.20 wt.% FG時達到峰值，進一步證明FG促進了水化進程。

圖7. 不同FG摻量下水泥復合材料的熱重（TGA）分析結果：(a) 3天DTG曲線；(b) 3天各溫度區間失重；(c) 28天DTG曲線；(d) 28天各溫度區間失重。

圖8. 水泥漿體斷面的SEM圖像

圖8a顯示無FG樣品中存在明顯微裂紋和孔隙。隨著FG摻量增加（圖8b, 8c），微裂紋和孔隙顯著減少，水化產物結構更致密。圖8c中可觀察到裂紋終止于FG片層位置，表明FG有效阻礙了裂紋擴展。這種微觀結構致密化與力學性能提升直接相關。

圖8. 不同FG摻量下水泥漿體斷面的SEM圖像：(a) 0 wt.% FG；(b) 0.05 wt.% FG；(c) 0.20 wt.% FG。

圖9. 水泥復合材料的孔結構分析

MIP結果顯示，FG的加入顯著減少了有害孔（50–200 nm）和多害孔（≥200 nm）的體積，孔徑分布向無害孔（≤20 nm）偏移。與PG0相比，0.20 wt.% FG樣品的平均孔徑降低30.4%，孔隙率降低20.7%。這歸因于FG的高比表面積和納米尺寸，既填充了孔隙，又促進了C-S-H凝膠的生成，從而實現孔結構細化。

圖9. 不同FG摻量下水泥復合材料的壓汞（MIP）分析結果：(a) 孔徑分布曲線；(b) 各類孔比例與總孔隙率。

圖10. FG摻量對水泥抗壓強度的影響

在3、7、28天養護齡期下，FG均顯著提升抗壓強度。0.20 wt.% FG樣品在3天和28天的抗壓強度分別比對照組提高197%和161%。與多數研究中0.05–0.10 wt.%的最佳摻量不同，本研究中FG在0–0.20 wt.%范圍內呈現持續增強效應，歸因于其渦輪層結構和大層間距帶來的優異分散性，避免了高摻量下的團聚問題。

圖10. 不同FG摻量下水泥復合材料在3、7、28天齡期的抗壓強度。

圖11. 不同場景下的生命周期評估

圖11對比了三種情景：填埋、PFA直接替代、FG增強替代。結果顯示，FG增強PFA水泥的GHG排放從862.04 kg CO?/噸降至603.62 kg CO?/噸（下降30%），能耗從4,624.38 MJ/噸降至3,304.56 MJ/噸。性能-成本指數（PCI）顯示，PG20比PG0提高144%，說明雖然FG略微增加材料成本，但其力學性能的顯著提升帶來了更高的成本效益。

總結&展望

總之，本研究提出并驗證了“綠色合成→微觀調控→性能增強→低碳應用”的完整策略：采用閃蒸焦耳熱技術，在200 V、0.5 s條件下將廉價炭黑高效轉化為具有渦輪層結構、層間距擴大（0.343 nm）、缺陷極少（ID/IG低至0.05）和高碳純度（sp2碳96.15%）的閃蒸石墨烯。該FG因其優異分散性，在水泥基體中充當成核位點，加速C-S-H凝膠生成，并通過填充孔隙、橋接微裂紋顯著優化孔結構，從而在0.20 wt.%摻量下實現28天抗壓強度提升161%。生命周期評估進一步證實，該復合材料可減少30%碳排放并提升144%的性能-成本指數，兼具環境與經濟效益。未來可探索不同炭黑來源對FG質量的影響、FG-水泥復合材料在惡劣環境下的長期耐久性，以及FJH工藝的工程化放大與水泥生產線兼容性。

來源：高溫熱沖擊焦耳熱超快合成