一、研究背景

石墨烯和碳納米管是碳的重要同素異形體，因其高比表面積、出色的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及非凡的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異特性而聞名于世。改性石墨納米碳的一種有效策略是通過酸氧化來制造氧化形式的石墨納米碳，如氧化石墨烯（GO）和氧化碳納米管（oCNTs），從而引入極性表面功能。這些極性官能團(tuán)增強(qiáng)了在極性溶劑中的分散性，使氧化納米碳具有很高的水處理能力。[6] 通過分散和組裝 GO 和 oCNT，然后去除溶劑，就有可能制造出低密度三維多孔氣凝膠。這些氣凝膠為在體相中實(shí)現(xiàn)納米級(jí)石墨特性提供了一條途徑，具有粉末類似物無法實(shí)現(xiàn)的特性。

目前，納米碳（NC）氣凝膠制造所面臨的挑戰(zhàn)主要涉及開發(fā)對(duì)氣凝膠框架進(jìn)行化學(xué)修飾的有效方法，尤其是在旨在恢復(fù)石墨特性的還原階段。傳統(tǒng)的熱還原方法往往速度較慢，而且會(huì)產(chǎn)生不確定的最終產(chǎn)物，通常會(huì)導(dǎo)致 NC 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的重新堆積，這在還原 GO 時(shí)尤為明顯，從而損害了其納米級(jí)特性。

采用局部電阻式電加熱（也稱為焦耳加熱）是一種很有前途的替代方法，既可以單獨(dú)使用，也可以與間隔物結(jié)合使用。這種方法能以高效率快速減少熱量，有效防止重新堆積，同時(shí)保留氣凝膠結(jié)構(gòu)的表面積。由此產(chǎn)生的氣凝膠具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括表面積增大、量身定制的分層孔隙率可增強(qiáng)通過孔隙的質(zhì)量傳輸，以及無需額外分離過程即可從反應(yīng)中高效回收。然而，有關(guān)數(shù)控氣凝膠應(yīng)用的詳細(xì)報(bào)道在文獻(xiàn)中仍然有限。值得注意的是，超高溫焦耳加熱可用于快速合成無機(jī)納米粒子（NPs），從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控氣凝膠的額外功能化，并擴(kuò)大其多功能性。

為了證實(shí)電熱驅(qū)動(dòng)超高溫焦耳加熱方法的普遍性，我們進(jìn)一步制備了由 GO 和 oCNT 組裝而成的數(shù)控氣凝膠。此外，這項(xiàng)研究還探索了利用超高溫焦耳加熱技術(shù)制備的雜化 NC 氣凝膠的實(shí)際應(yīng)用。我們深入研究了重新堆疊、石墨化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及制造過程中碳足跡的影響。此外，我們還將氣凝膠框架作為一個(gè)多功能平臺(tái)，用于合成具有可調(diào)成分和催化功能的無機(jī)納米顆粒。我們對(duì)這些混合氣凝膠進(jìn)行了全面的表征，以深入了解它們的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。然后將這些表征與它們的催化脫硫效率相關(guān)聯(lián)，并通過理論計(jì)算闡明了其基本機(jī)制。

二、摘要

對(duì)碳納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行超高溫焦耳加熱為提高其性能和擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。本研究利用超高溫（60 秒內(nèi)高達(dá) 3000 K）的快速焦耳加熱誘導(dǎo)納米碳?xì)饽z發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生高度石墨化的結(jié)構(gòu)。這些氣凝膠是合成可定制金屬氧化物納米粒子的多功能平臺(tái)，與傳統(tǒng)的熔爐加熱方法相比，可顯著減少碳排放。氣凝膠的熱導(dǎo)率由 Umklapp 散射表征，可通過調(diào)整加熱溫度來精確調(diào)節(jié)。利用氣凝膠的超疏水特性，可將其實(shí)際應(yīng)用于過濾系統(tǒng)，從水中高效分離有毒的鹵化溶劑。分層多孔氣凝膠的表面積高達(dá) 607 m2 g-1，確保了嵌入的金屬氧化物納米粒子分布均勻、間距一致，為催化應(yīng)用提供了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。這些研究結(jié)果表明，該催化劑在氧化脫硫方面具有卓越的催化性能，可實(shí)現(xiàn)模型燃料中 98.9% 的二苯并噻吩轉(zhuǎn)化率。這些結(jié)果得到了理論計(jì)算的證實(shí)，超過了許多高性能催化劑。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了納米碳結(jié)構(gòu)在超高溫、短加熱持續(xù)時(shí)間下進(jìn)行納米粒子合成時(shí)的實(shí)用性和高效性。它的廣泛影響延伸到電化學(xué)、能量存儲(chǔ)和高溫傳感領(lǐng)域。

三、結(jié)論

總之，我們通過在納米碳結(jié)構(gòu)中加入 oCNT 作為間隔物，并結(jié)合閃灼焦耳加熱技術(shù)合成了混合 rNC 氣凝膠，從而獲得了具有廣泛優(yōu)勢(shì)的氣凝膠。這些優(yōu)勢(shì)包括減少碳足跡、優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、高熱穩(wěn)定性、巨大的表面積、良好控制的微結(jié)構(gòu)和超疏水性。通過相應(yīng)的概念驗(yàn)證研究，證明了電熱驅(qū)動(dòng)化學(xué)調(diào)制策略增強(qiáng)了 rNC 氣凝膠的性能。值得注意的是，利用 rNC 氣凝膠的超疏水特性，使用定制的分離器分離了油/水混合物，與未還原的 NC 氣凝膠相比，分離通量顯著提高（提高了 72% 以上）。此外，rNC 氣凝膠在高工作壓力下表現(xiàn)出高效耐用的性能，并保持了出色的循環(huán)能力。我們利用閃蒸合成技術(shù)將鉬基納米催化劑均勻地加入到 rNC 氣凝膠中，從而制備出具有出色催化氧化脫硫能力的 MoO2@rNC 氣凝膠催化劑，使 DBT 轉(zhuǎn)化效率高達(dá) 98.9%。此外，我們的研究還介紹了一種在空氣氣氛中進(jìn)行閃速焦耳加熱合成 MoO3 NPs 的創(chuàng)新方法。 總之，我們的研究強(qiáng)調(diào)了閃速焦耳加熱作為一種高效節(jié)能的方法在生產(chǎn)具有多種應(yīng)用的功能化混合數(shù)控氣凝膠方面的潛力。

圖2.a) 在 I = 0.55 A 的焦耳加熱條件下對(duì) NC 氣凝膠前驅(qū)體進(jìn)行預(yù)處理，去除水分，得到 NC 氣凝膠。 b) 在 I = 10.12 A 的超高溫焦耳加熱 NC 氣凝膠 60 秒，合成 rNC 氣凝膠。插圖： c) Umklapp 散射分析顯示 rNC 氣凝膠的熱導(dǎo)率與焦耳加熱溫度之間的相關(guān)性。 e) NC 氣凝膠和 rNC 氣凝膠的電壓、輸入功率和焦耳加熱溫度之間的關(guān)系。NC 氣凝膠和 rNC 氣凝膠的電導(dǎo)率 f) 和熱導(dǎo)率 g) 與焦耳加熱溫度的函數(shù)關(guān)系。

 

圖3.NC氣凝膠、rNC氣凝膠10s氣凝膠、rNC氣凝膠30s氣凝膠和rNC氣凝膠的拉曼光譜和接觸角曲線。a) 波長為 785 納米的拉曼光譜，其中 D 波段被稱為缺陷波段，代表 sp2 碳環(huán)的環(huán)呼吸模式，G 波段是主要的面內(nèi)振動(dòng)模式，代表構(gòu)成石墨烯的平面構(gòu)型 sp2 鍵合碳，2D 波段由不同面內(nèi)振動(dòng)的二階泛音形成。c) 波長為 785 納米的 IG/ID 值和 d) 波長為 785 納米的 I2D/IG 值的拉曼圖譜。