一、研究背景

電場在材料合成中的應(yīng)用已成為現(xiàn)代科學(xué)和工程學(xué)中一個引人注目的研究領(lǐng)域。外部電場被廣泛用于調(diào)節(jié)化學(xué)產(chǎn)品的活化能，使熱化學(xué)反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，以及調(diào)節(jié)有機(jī)和無機(jī)產(chǎn)品的晶粒大小和排列。這些技術(shù)中使用的電場強(qiáng)度通常在 104 到 109 V/m 之間，但低至 102 V/m 的電場已被證明會影響反應(yīng)產(chǎn)物。外部電場可改變合成產(chǎn)物，也有人認(rèn)為電場的存在可對電中性粒子的運(yùn)動產(chǎn)生影響。

閃蒸焦耳加熱（FJH）作為一種具有高能量效率和超快加熱速率的方法，最近已被用于合成多種材料，包括石墨烯、過渡金屬瑀、無機(jī)納米顆粒、以及其他各種碳化物和無機(jī)化合物。作為一種有效修復(fù)土壤和電池電極的方法，以及一種回收和升級材料的方法，它也得到了廣泛的探索。與使用傳導(dǎo)或輻射加熱的傳統(tǒng)化學(xué)加熱方法不同，焦耳加熱需要電流流過樣品本身，進(jìn)而直接加熱原料。讓電流通過反應(yīng)物需要在幾厘米寬的反應(yīng)容器中施加通常高達(dá)幾百伏的電勢差，從而產(chǎn)生 103-104 V/m 量級的平均電場和 105-107 A/m2 量級的電流密度。在閃速石墨烯（FG）的合成過程中，我們之前的研究發(fā)現(xiàn)，僅靠熱退火無法解釋高湍流粒子的形成，這表明電流通過材料在石墨烯晶體的成核過程中起著直接作用?，F(xiàn)在，石墨烯的合成規(guī)模已經(jīng)擴(kuò)大，因此有必要深入了解石墨烯的生長過程，以便更精確地控制石墨烯的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，即結(jié)晶度、缺陷密度和湍流特性，以滿足各種應(yīng)用的需要。

在此，我們通過實(shí)驗(yàn)解構(gòu)了 FJH 在冶金焦炭轉(zhuǎn)化為石墨烯過程中的電效應(yīng)和熱效應(yīng)，以研究兩者對反應(yīng)焓、活化能和產(chǎn)物分布的影響。使用電熱和純熱閃蒸反應(yīng)合成 FG 過程中發(fā)生的焓變化表明，電場強(qiáng)度會影響碳原料的形態(tài)，因?yàn)樘荚蠒臒o定形碳（AC）轉(zhuǎn)化為渦晶（片間錯位）FG，最后轉(zhuǎn)化為有序 FG 和石墨，后者由伯納（AB）和斜方體（ABC）堆積層組成。此外，實(shí)驗(yàn)和理論研究都證明，通過脈沖寬度調(diào)制來振蕩反應(yīng)的電流密度有利于這種相變。最后，理論模擬證明，石墨烯前驅(qū)體內(nèi)部的誘導(dǎo)電場會降低反應(yīng)的活化能，從而推動相變。這些結(jié)果表明，在閃焦耳加熱反應(yīng)中，電流可以直接驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，從而加深了我們對這一過程中納米晶體形成機(jī)理的理解。

二、摘要

利用閃蒸焦耳加熱設(shè)備已成為石墨烯等納米材料的一種超快、可擴(kuò)展的多功能合成方法。在這里，我們從實(shí)驗(yàn)和理論上解構(gòu)了熱過程和電過程對閃焦耳加熱合成石墨烯的貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)的石墨烯合成方法涉及純粹的化學(xué)或熱驅(qū)動力，而我們的研究結(jié)果表明，石墨烯前驅(qū)體中電荷的存在和由此產(chǎn)生的電場催化了石墨烯的形成。此外，通過調(diào)節(jié)電流或脈沖寬度，還能控制材料從無定形碳到湍流石墨烯，最后到有序（AB 和 ABC 疊層）石墨烯和石墨的三步相變。最后，密度泛函理論模擬顯示，石墨烯前驅(qū)體內(nèi)部存在電荷和電流誘導(dǎo)的電場，可降低反應(yīng)的活化能，從而促進(jìn)相變。這些結(jié)果表明，電流通過固體樣品可直接驅(qū)動閃焦耳加熱過程中的納米晶體成核，這一見解可為未來的焦耳加熱或其他電合成策略提供參考。

三、結(jié)論

我們通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬證明，通過閃焦耳加熱將交流電轉(zhuǎn)化為傅立葉變換是一個電熱過程，而不僅僅是一個熱過程。當(dāng)電流通過反應(yīng)物本身時，可極大地促進(jìn)相變過程。通過改變閃光電壓，還可以實(shí)現(xiàn)從交流電到湍流石墨烯再到石墨的相位控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和 DFT 計(jì)算都表明，電熱過程所需的能量比熱過程低 2 倍。從湍流石墨烯轉(zhuǎn)化為石墨的能量是交流電轉(zhuǎn)化為湍流石墨烯的能量的 4 倍。最后，利用有限差分法分析并解釋了電流和電場在相變過程中的重要作用。

圖1.在 120 毫克 MCAC 上對熱系統(tǒng)和電熱系統(tǒng)進(jìn)行比較。

圖2.不同電壓下的碳相變過程

圖3.溫度振蕩對石墨烯相變的影響。