南理工 朱贺、兰司团队CN碳中和：高温热冲击合成碳基纳米材料在电化学领域的应用

在碳中和的背景下，新能源发展迅速。在21世纪，可持续、廉价且可靠的能源获取至关重要，电化学在能源转换、存储与利用上提供诸多机遇，却因缺乏合适材料面临挑战。碳基纳米材料因导电性佳、经济、耐热、耐化学及辐射，且表面和界面特性可调，在能源领域贡献大且前景广阔，其独特性能在电化学应用优势显著，如促进电子迁移、增大电极与电解质接触面积等。

碳基纳米材料可通过化学气相沉积、喷雾干燥、水热和溶剂热法以及电沉积等传统方法制备。但这些方法常需低加热速率长时间热处理，存在反应过程复杂、动力学速率慢、操作条件复杂、耗时、晶体结构控制有限、成本高和基材及涂层限制等问题，例如化学气相沉积依赖精确反应条件且前驱体昂贵，喷雾干燥产物晶体质量和纳米结构均匀性差，水热和溶剂热法反应条件与产物结构平衡难把握，传统电沉积方法应用受限。

近年来，高温冲击（HTS）这一超快纳米材料合成新方法兴起，包括焦耳热、微波加热和激光照射。与传统方法相比，它操作简便、合成迅速、对底物和前驱体要求低、能精准控制结构特性（如构建传统方法难以实现的亚稳态材料），合成的纳米材料稳定性强。HTS合成的碳基纳米材料优势突出，能产生超小纳米颗粒，优化电荷储存和传输性能。本文将介绍HTS方法的发展历史、仪器、合成及加热原理、测温原理和碳基纳米材料合成机理，还会探讨其在能源相关电化学领域的应用与优化。

南京理工大学朱贺、兰司教授团队发表了一篇综述，揭示高温冲击法制备碳基纳米材料应用于电化学领域的新进展。 这篇综述全面回顾了过去十年中通过高温超导方法制备的各种碳基纳米材料及其在电化学领域的应用，强调了它们的合成和优化其性能的原理。重点介绍了高温超导合成碳基纳米材料在推进锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、水分解反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、硝酸盐还原反应、其他电催化反应和燃料电池方面的优势。最后，团队对HTS法制备碳基纳米材料在电化学应用中的未来前景提出了极具建设性的推荐，为后续科研工作者的研究方向提供了重要参考，有望推动该领域取得更多突破性进展。

1、系统梳理材料与应用：全面回顾了过去十年间，运用HTS方法制备的各类碳基纳米材料，详细阐述了它们在锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、水分解反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、硝酸盐还原反应、其他电催化反应和燃料电池等众多电化学领域的具体应用实例，为后续研究提供了丰富的素材与参考依据。

2、揭示合成与优化原理：深入剖析了HTS方法制备碳基纳米材料的合成原理，明确指出在合成过程中，高温驱动反应进行，而快速的加热和冷却速率有效抑制纳米粒子的进一步生长。同时，精准阐述了优化材料性能的原理，包括利用可控碳空位驱动相变、对碳进行精确工程设计、借助高能和快速冷却形成并保持亚稳态、微调负载物与碳载体间相互作用，以及通过简单的掺杂和复合诱导不同成分间协同效应等。

3、展望未来发展前景：团队凭借深厚的专业知识与敏锐的行业洞察力，对HTS法制备碳基纳米材料在电化学应用中的未来前景提出了极具建设性的推荐，为后续科研工作者指明了研究方向，有助于凝聚科研力量，共同推动该领域迈向新的高度。

要点1：HTS的加热原理

图1：（a） HTS 的原理和过程。（b） 焦耳超快加热设备。（c） 焦耳闪蒸加热设备。

图1(A)中显示了HTS 技术利用电流通过导体时产生的热量。在典型的合成中，反应区温度可以瞬间升高 （105k s ⁻¹ ） 降低到数千开尔文，并在几毫秒内冷却下来。加热过程基于焦耳定律。图1(B，C)显示了HTS合成主要使用的焦耳超快速加热设备和焦耳闪蒸加热设备。常见的设置主要由四部分组成：加热反应室、光谱仪、直流电源和真空泵。介绍了HTS的加热原理和加热设备。

要点2：HTS合成/优化碳基纳米材料的原理和方法

图2：(a-c) 使用 HTS 合成 HEA、抑制生长和应用催化的示意图。(d-f) 高温热冲击技术用于调节碳基纳米材料的结构，以构建传统方法难以实现的亚稳态材料的应用。（g）高温热冲击法中的高温和快速加热可以改善碳纳米材料的微观结构的应用。

图2(A-C)使用HTS合成HEA、抑制生长和应用催化的示意图。介绍了HTS技术具有超快的加热/冷却速率，还可以有效调节颗粒大小和分散。HTS的快速反应速度限制了形成的纳米颗粒的生长，从而将它们包含在纳米尺度上。另一方面，HTS过程中形成的纳米颗粒的分散主要受“受阻团聚法”和“锚定生长法”的调节。

图2(D)显示了通过控制FJH的脉冲电压选择性合成了相纯碳化钼。图2(E)显示了通过FJH合成了三种不同的氟化碳异构体。图2(F)显示了使用高温超导流导法在碳载体上合成了具有不同Pt-Ni比的Pt-Ni合金纳米颗粒，从而获得了性能最佳的催化剂。上述研究证明了高温超导技术用于调节碳基纳米材料的结构，可以构建传统方法难以实现的亚稳态材料。

图2(G)显示了在施加张力下使用焦耳热将CNT纤维处理到高温 （~2723.15 K），通过施加高脉冲电压，可以在几毫秒内实现张力下CNT纤维的快速拉伸和致密化。这有利于提高其导电性和稳定性。上述研究证明了高温超导法中的高温和快速加热可以改善碳纳米材料的微观结构。

要点3：HTS制备的碳基纳米材料在各电化学反应中的应用

图3：HTS制备的碳基纳米材料在锂离子电池中的应用。

图3(A) 显示了在超高温（3228 K）下通过热冲击促进了石墨化，并在机械冲击下制备了由结晶碳和非晶碳组成的杂化结构碳。图3(B)展示了强大的容量。随着电池使用的增加，处理不当的碳负极将导致严重的环境影响。因此，回收它们是一个潜在的选择。图3(C，D)显示了用HTS再生石墨负极，以有效去除石墨阳极处的有机粘合剂，并分解固体-电解质界面等电阻杂质，同时保持石墨结构不被破坏。上述证明了HTS技术在开发新型碳基材料用于电化学储能领域具有巨大潜力。

图4：HTS制备的碳基纳米材料在电催化分解水中的应用。

图4（A）显示了用HTS合成了高效 Mo ₂ C/MoC/CNT 析氢反应催化剂。图4（B）显示了团队通过在高温超导合成过程中调整脉冲电压来选择性地合成相纯碳化钼。该研究揭示了碳化钼在 HER 中的相位依赖性性能。由于动力学控制的超快冷却，焦耳热可以很容易地扩展到亚稳碳化物的相工程，这已被证明可以有效提高碳化物的电催化性能。图4（C）显示了短短300 ms内在碳布上快速合成了碳负载的高熵硫化合金纳米颗粒 （CC-S-HEA）。高温超导产生的热冲击可以将硫源热解成气态，导致碳材料 （CC） 中形成不同的孔隙结构和缺陷。这个过程产生了硫掺杂碳基底 （CC-S）。随后，硫原子将金属原子锚定到 CC-S 表面上。金属颗粒的高密度和均匀分布造就了高电化学性能。上述证明了HTS技术在开发新型碳基材料用于电催化分解水领域的前景。

图5：HTS制备的碳基纳米材料在电催化硝酸盐还原反应（NO ₃ RR）中的应用。

图5显示了用HTS合成了均匀分散在碳纤维纸上的纳米合金催化剂显示出较高的电催化硝酸盐还原反应（NO ₃ RR）活性。上述证明了HTS技术在开发新型碳基材料用于电催化硝酸盐还原反应（NO ₃ RR）领域具有潜能。

图6：HTS制备的碳基纳米材料在燃料电池中的应用。

图6显示了在1000°C的最佳条件下，直接焦耳加热超过50 ms，导致在炭黑衬底上形成均匀的PtRu合金纳米颗粒。在相似的质量载荷下，HTS生产的 PtRu 合金纳米颗粒的尺寸远小于标准水热法生产的尺寸。高温快速加热可使金属前驱体充分分解，不及时生长。优化的PtRu合金纳米颗粒显示出高质量活性和良好的稳定性。这些结果表明，HTS可以制备用于直接燃料电池的高性能合金纳米颗粒催化剂，其中通过调整合成参数来微调纳米颗粒结构是优化催化剂的关键。

这篇综述全面回顾了过去十年中通过HTS方法制备的各种碳基纳米材料及其在电化学领域的应用，强调了它们的合成和优化其性能的原理。重点介绍了HTS合成碳基纳米材料在推进锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、水分解反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、硝酸盐还原反应、其他电催化反应和燃料电池方面的优势。

在该综述中，作者全面回顾了通过HTS技术制备的碳基材料及其在电化学领域的应用，特别是那些与能源相关的过程。首先，简要介绍了HTS技术的发展历史、相关仪器、合成过程、加热原理和测温原理。然后讨论了通过 HTS 合成碳基纳米材料的机理，并以此为基础推导出了合成电催化剂的结构、形貌和组成的精确工程原理。在典型的 HTS 合成中，反应由高温驱动，而快速加热和冷却通过团聚或聚集有效抑制纳米颗粒的生长。此外，能够调控碳空位，从而进一步驱动相变，形成和保存可能表现出高催化活性的亚稳相，设计碳和其他可能充当活性中心的缺陷，通过掺杂或复合诱导成分之间的协同作用，以及调整负载催化剂和碳基材之间的相互作用， 以优化电催化性能。

尽管大量研究已经证明了 HTS 制备的碳基材料在能源相关电化学应用中的巨大应用前景，但在未来的探索中仍有巨大的改进空间。最后，团队对HTS法制备碳基纳米材料在电化学应用中的未来前景进行展望，为后续科研工作者的研究方向提供了重要参考。

第一作者：黄雯

南京理工大学硕士研究生，导师朱贺、兰司教授。主要从事亚稳态高熵合金材料的开发、微观结构控制和电催化机理的研究。她的研究兴趣是使用同步辐射和像差校正电子显微镜等表征方法探索所开发材料的结构和电催化性能之间的相关性，以揭示高熵合金的亚稳态结构和性能之间的关系。

通讯作者：朱贺

朱贺，南京理工大学材料学院教授，博士生导师，入选国家级海外高层次青年人才、江苏特聘教授，江苏科技副总，南京理工大学“青年拔尖选聘人才”。长期从事锂/钠离子电池，亚稳态无序合金催化剂、同步辐射和中子技术等研究。已发表学术论文90余篇，包括以第一/通讯作者（含共同）在 Nature Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew Chem、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Nano Energy、Energy Storage Mater. 等高影响力期刊发表论文35篇，包括影响因子>10文章25篇，ESI前1%高被引论文11篇，H因子35。主持国家级高层次青年人才项目、国家自然科学基金面上项目等国家级/省部级项5项。担任中国晶体学会固体局域结构专委会委员，江苏省颗粒学会能源颗粒专委会委员等； Chinese Chemical Letters （中科院一区）编委， Rare Metals 学术编辑， Carbon Neutralization、Microstructures 等期刊青年编委。

通讯作者：兰司

兰司，2012年博士毕业于香港中文大学材料科学与工程专业，现任南京理工大学材料学院副院长、教授、博士生导师、纳米材料与技术专业（微纳芯片加工）国际实验班负责人、江苏省先进纳米结构与功能材料高校重点实验室主任、国家级国合基地副主任，入选国家高层次人才计划、国家基金委优青、国家重点研发计划青年科学家、江苏省杰青、江苏省青蓝工程优秀教学团队带头人、江苏省333中青年学术带头人、江苏省六大人才高峰等称号。担任中国金属学会非晶合金分会委员、中国散裂中子源用户委员会成员及函评专家、日本中子源J-PARC函评专家，国际科学组织VEBLEO会士，国际期刊cMat副主编、稀有金属（中、英文）编委、JMST、MRL、金属学报等国际期刊青年编委。荣获2021年中国十大新锐科技人物、2022年教育部高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学）二等奖、2022年江苏省行业领域十大科技进展、江苏省材料学会科学技术特等奖、2023年中国国际大学生创新大赛金奖指导教师、2024年江苏省微课教学大赛一等奖等奖项，入选2024全球前2%顶尖科学家榜单。

长期从事先进亚稳态合金材料、微纳构筑与性能调控、中子与同步辐射原位散射等研究，主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金优秀青年、面上项目、国际合作项目、江苏省自然基金杰出青年基金项目等多项课题。在 Nature Materials、Nature Catalysis、Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Physical Review Letters 等顶级SCI期刊发表学术论文百余篇，申请国家发明专利34项，授权12项。主编、参编、主审规划教材多部。作为大会主席联合组织国际知名的戈登研讨会（Gordon Research Seminar, GRS）中子散射研讨会并于GRC会议上多次作邀请报告。

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Carbon Neutralization 是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的26名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被 ESCI、DOAJ 数据库收录。

Carbon Neutralization 重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。