2020年，美国莱斯大学James M. Tour教授课题组通过闪蒸焦耳热技术可将任何碳源，无论是炭黑、石油沥青、煤炭、轮胎还是塑料垃圾，在不到100毫秒的时间内变成克级石墨烯，让石墨烯变成了“白菜价”。
【总结】
（1）创新的合成方法：本文献描述了一种通过瞬间焦耳加热法（flash Joule heating）从低成本的碳源（如煤炭、石油焦、生物炭等）直接合成大规模的石墨烯。
（2）高效率和高质量：这种方法可以在不到一秒的时间内合成克级量的石墨烯，且得到的石墨烯纯度超过99%，缺陷极低。
（3）环境友好：合成过程中不需要使用炉子、溶剂或反应气体，显著降低了对环境的影响。
（4）成本效益：所需的电能成本仅为每克7.2千焦耳，使得这种石墨烯合成方法在经济上具有潜在的应用优势。
（5）应用潜力：所合成的石墨烯具有出色的物理性能，可以强化混凝土和塑料等多种复合材料，展示了其在建筑材料和能源存储设备中的应用前景。
（6）规模化生产：本文献还讨论了如何通过改变石英管的尺寸和形状来扩大生产规模，从而更有效地生产大量石墨烯。
图1.James M. Tour教授和他的学生及闪蒸石墨烯
【研究背景】
（1）石墨烯因其独特的性质，在许多领域具有广泛的应用潜力，包括但不限于电子、能源、材料和医药等。
（2）传统的石墨烯制备方法存在成本高、效率低、规模化生产困难等问题，限制了其在工业和商业应用的推广。
（3）存在对环保友好、成本效益高、可大规模生产的石墨烯制备方法的需求，以促进其更广泛的应用和发展。
【研究方法】
（1）碳材料的选择与预处理：选择包括煤、石油焦、生物炭等多种廉价碳源材料进行预处理。
（2）闪蒸焦耳加热法 (Flash Joule Heating, FJH)：将处理后的碳材料放入装置中，利用高电压使材料迅速加热至3000K以上，实现石墨烯的快速合成。
（3）石墨烯的提取与分散：通过离心和超声波处理，将合成的石墨烯有效地分散在水或其他溶剂中，形成稳定的图烯分散体。
（4）石墨烯的表征与分析：使用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱等技术对合成的石墨烯进行详细的表征和分析。
（5）应用测试：将石墨烯应用于不同材料（如水泥、聚二甲基硅氧烷PDMS等）中，测试其在实际应用中的性能表现，例如增强复合材料的力学性能。
图2.由各种碳源合成闪蒸石墨烯（FG）
【研究结果】
本篇文献展示了一种从廉价碳源（如煤炭、石油焦、生物质炭、碳黑、废弃食物、橡胶轮胎和混合塑料废物）通过快速焦耳加热法合成克级石墨烯（FG）的方法。这种方法快速、成本低，不需要使用炉子、溶剂或反应气体，并且在不到一秒的时间内就能生产出石墨烯，其产量和碳纯度高。
（1）通过Raman光谱学分析，证明了所得FG具有极低的缺陷浓度，并展现出独特的层间无序排列结构，有助于其在复合材料中的快速剥离。
（2）研究还探讨了FG在水/表面活性剂和有机溶剂中的高度分散性，以及FG复合材料显著提升的物理性能，如混凝土和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的压缩强度。这些结果表明，通过这种方法制备的FG有望在能源存储、高性能建筑材料等领域得到广泛应用。
【展望】
根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：
（1）研究更多种类的廉价碳源，以进一步降低石墨烯生产成本。
（2）优化闪蒸焦耳加热技术的参数，如电流、时间、温度等，以提高石墨烯的质量和产量。
（3）探索石墨烯的功能化处理，以提高其在特定应用中的性能，如增强电化学性能、改善机械强度等。
（4）研究石墨烯与其他材料的复合应用，开发新型高性能复合材料。
（5）对环境影响进行全面评估，确保生产过程的可持续性和环境友好性。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0
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