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为解决发展中国家废弃物管理问题，研究人员开展闪速石墨烯（FG）合成研究。通过闪焦耳加热（FJH）技术将废塑料等转化为 FG，发现其具独特 turbostratic 结构，在复合材料等领域有潜力，为废弃物资源化和材料科学提供新方向。
全球废弃物泛滥正成为困扰各国的环境难题，发展中国家尤为突出的垃圾管理问题不仅造成生态负担，更通过温室气体排放、微塑料污染等途径威胁全球环境安全。传统石墨烯合成方法如机械剥离、化学还原等面临高能耗、高污染和低产率的瓶颈，如何高效且环保地将废弃物转化为高价值材料成为科学界亟待突破的课题。在此背景下，探索可持续的废弃物转化技术、开发新型碳材料合成路径，成为缓解环境压力与推动材料革新的双重关键。
为攻克上述难题，研究人员聚焦于闪速石墨烯（Flash Graphene, FG）的合成与应用研究。James Tour 团队等开发的闪焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，通过高压脉冲在约 3000 K 高温下将碳源（如废塑料、橡胶、煤炭等）快速转化为石墨烯，为废弃物资源化利用开辟了新路径。相关研究成果发表在《Carbon Trends》，为解决全球废弃物危机和碳材料制备技术升级提供了重要参考。
研究主要采用闪焦耳加热系统，该装置通过电容组放电产生脉冲电压，使电流流经碳源（如粉碎的塑料与导电碳混合物），在不到一秒内通过电热效应将碳源转化为闪速石墨烯。研究中利用 X 射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等表征手段，分析闪速石墨烯的元素组成、结构特征及物理性质，并通过复合材料制备、摩擦学测试、吸附实验等验证其应用性能。
闪焦耳加热系统设计与优化
闪焦耳加热系统通过电容充电与放电过程实现能量转化，放电时产生的强电场加速电子碰撞碳源晶格，促使碳原子重组为 sp2 杂化的石墨烯片层。研究发现，碳源的初始质量、电阻及石英管直径等参数显著影响合成效果，如直径 4 mm 时温度分布更均匀，单次可合成 1 g 闪速石墨烯。通过两步法（低电流脱除挥发分、高电流碳化）和自动化系统，可提升产率并实现连续生产，例如 Eddy 团队通过脉冲宽度调制器（PWM）实现 1.5 小时生产 1.1 kg 闪速石墨烯，显著提高合成效率。
闪速石墨烯的表征
合成的闪速石墨烯通常为灰色晶体与黑色石墨粉的混合物，需通过筛分和煅烧纯化。XPS 显示其碳含量达 99%，sp2 杂化率 98.6%；拉曼光谱中 2D 峰强度高、D/G 比大于 0.3，证实其 turbostratic（旋转无序）结构，区别于传统 AB 堆叠石墨烯。HRTEM 观察到平均 lateral size 为 25.7±7.4 nm，层间距 0.359±0.041 nm，大于石墨的 0.337 nm，这种结构源于相邻芳香环间范德华力减弱，使各层保留独立光学与电学特性。
潜在应用探索
- 水泥与聚合物复合材料：0.1 wt% 闪速石墨烯可使水泥复合材料 7 天抗压强度提升 35%，聚二甲基硅氧烷（PDMS）抗压强度提高 250%。在环氧树脂（DGEBA）中，不同质量比可优化力学性能，如质量比 1:3 时硬度增 140%、韧性增 496%，表明其增强效果显著。
- 润滑剂与表面涂层：添加闪速石墨烯的润滑油可降低摩擦系数和磨损，在异链烷烃聚 α- 烯烃（iPAO）中分散稳定性优于其他石墨烯基材料。环氧涂层中加入 10 wt% 闪速石墨烯可显著提升耐腐蚀性，在 3.5% NaCl 溶液中表现出更优的抗锈蚀能力。
- 聚合物泡沫与吸附材料：0.025 wt% 闪速石墨烯可改善聚氨酯泡沫（PUF）的热稳定性，如 PUF-3 的热膨胀系数低至 0.34 μm/°C。3D 多孔闪速石墨烯对亚甲基蓝的吸附效率达 100%，优于烟煤和多孔活性炭，归因于其多孔结构与表面活性位点。
- 电池与超级电容器电极：通过原位分解离子化合物或球磨改性，制备出多孔闪速石墨烯（HWFG、CFG），缩短锂离子扩散路径。CFG 基锂电池阳极在 5 A/g 电流下循环 600 次后容量保持率达 90%，展现出优异的循环稳定性。
结论与意义
闪速石墨烯凭借闪焦耳加热技术的高效转化能力，将废弃物转化为高附加值碳材料，不仅为塑料、煤炭等废弃物处理提供了可持续方案，其独特的 turbostratic 结构更赋予复合材料增强、高效吸附、稳定储能等多元性能。尽管目前研究仍面临合成参数优化、大规模生产设备开发等挑战，但其在环保、能源、材料领域的潜力已初步显现。未来，随着合成工艺的成熟与应用场景的拓展，闪速石墨烯有望推动循环经济发展，为碳中和目标下的废弃物管理与先进材料制备提供革命性路径。
