摘要：在全球工业化浪潮的持续冲击下，废弃物处理已然成为横亘于环境保护与可持续发展道路上的关键难题。传统填埋与焚烧等处理手段，不仅大量侵占宝贵土地资源，更衍生出严峻的环境污染问题，加剧温室气体排放，严重威胁生态平衡。与此同时，石墨烯作为革命性的二维材料，凭借优异的电学

在全球工业化浪潮的持续冲击下，废弃物处理已然成为横亘于环境保护与可持续发展道路上的关键难题。传统填埋与焚烧等处理手段，不仅大量侵占宝贵土地资源，更衍生出严峻的环境污染问题，加剧温室气体排放，严重威胁生态平衡。与此同时，石墨烯作为革命性的二维材料，凭借优异的电学、力学与热学性能，在电子信息、新能源、先进材料等前沿领域展现出巨大的应用潜力，成为科研与产业界竞相追逐的焦点。但传统石墨烯制备技术存在高能耗、工艺复杂、环境污染等弊端，极大限制了其大规模产业化应用进程。

在此背景下，Flash Joule Heating（FJH）技术脱颖而出，为困境破局带来曙光。该技术创新性地将废弃物转化为高品质石墨烯，实现了废弃物处理与石墨烯可持续生产的有机统一，不仅为废弃物资源化利用开辟了新路径，更为石墨烯产业的绿色发展注入了全新活力，有望开启材料制备与环境保护协同发展的新篇章。

文章概述

近日，亚历山大大学的 Mohamed Hosny 等研究人员于Environmental Research期刊发表了题为 “Recent Trends in Transforming Different Waste Materials into Graphene via Flash Joule Heating” 的综述论文。该研究系统总结了闪蒸焦耳加热技术（FJH）在将各类废弃物转化为石墨烯领域的最新研究进展。FJH 技术凭借高电压电流实现对碳基材料的快速加热，能在毫秒至秒级的极短时间内，将其转化为高质量的石墨烯。这一技术具备显著优势：不仅反应迅速、能耗较低，还拥有强大的可扩展性与出色的成本效益。相较于传统石墨烯生产方法，FJH 技术无需依赖有害化学品，也无需在极端条件下作业，既降低了能耗与生产成本，又大幅减少了碳排放 —— 每生产 1kg 石墨烯，FJH 技术仅产生约 10kg CO₂，远低于传统方法 400-500kg 的排放量。值得一提的是，FJH 技术对废弃物的包容性极强，塑料、废旧电池、生物质等多种材料，均能直接处理，无需预先进行分类或纯化。论文深入探讨了 FJH 技术的基础原理，同时对其在自动化与规模化生产方面取得的进展展开详细分析，并系统回顾了过去四年间该技术的发展脉络。此外，文章还着重阐述了 FJH 技术在多领域的应用潜力，涵盖混凝土生产、水净化、超级电容器制造等；并客观分析了这项技术目前面临的挑战与存在的局限性，为后续研究与技术突破提供参考方向。

图文示意

在废料升级再造的背景下，闪蒸焦耳加热技术（FJH）已发展成为一项突破性技术，通过将塑料等各类废料转化为高质量闪蒸石墨烯（FG），有望彻底革新废料处理模式。该工艺的核心在于将废料置于2500-3000℃的快速高温放电环境中，在几毫秒内完成处理。这种瞬间加热与快速冷却的过程，促使材料内的碳原子重新排列为涡轮层石墨烯结构—— 与传统 AB 堆叠的石墨烯层相比，该结构更易调控、管理及剥离。FJH 技术的革命性体现在：以极低能耗和极短时间，实现废料向高附加值产品的高效转化，为循环经济提供了兼具环境效益与工业价值的解决方案。

图 1 展示了过去四年间闪蒸石墨烯（FG）相关文章的发表数量（a），以及对这些研究成果贡献突出的主要研究人员（b）和研究机构 / 大学（c）。

图2展示了闪蒸焦耳加热技术（FJH）对多种富碳原料的转化能力，包括电子垃圾、生物质废弃物、橡胶废料、煤炭、石油焦、沥青、二氧化碳（CO₂）和塑料废弃物（PW），均能高效转化为具有高价值的涡轮层闪蒸石墨烯（FG）。

闪蒸石墨烯（FG)的应用

1、闪蒸焦耳加热（FJH）技术作为水处理领域的新兴创新手段，为闪蒸石墨烯（FG）的生产提供了兼具经济性、可扩展性与环保性的解决方案。相较于传统石墨烯，FG 凭借独特的结构与分散性能脱颖而出。普通石墨烯因范德华力作用，极易发生聚集与堆叠；而 FG 得益于 FJH 技术的特殊制备工艺，不仅形成高度多孔结构，减少缺陷与褶皱，还促使石墨烯片呈现涡轮层排布。这种旋转错位的结构，有效降低了静电力，同时增大了片层间距。此外，涡轮层结构削弱了范德华引力，显著提升了 FG 在溶剂或聚合物中的分散性，避免片层堆叠，这一特性在对均匀性要求极高的水处理应用中尤为关键。同时，更大的片层间距与减弱的片间相互作用，赋予 FG 更强的吸附能力；高比表面积提供了丰富的活性位点，而降低的相互作用能则使吸附质或化学试剂更易接近活性位点，进一步增强了其在水处理中的应用潜力 。

2、 用于储能的高效超级电容器在超级电容器领域，闪蒸焦耳加热（FJH）技术制备的石墨烯展现出显著优势。其超高比表面积能够大幅提升电极-电解质界面的离子吸附效率，强化双电层电容机制，为储能过程提供充足的电荷存储位点。此外，FJH石墨烯的少层结构与优异导电性，不仅保障了电子与离子的快速迁移，有效降低器件内阻，还显著提升了整体电化学性能。这些特性赋予超级电容器更高的能量密度与功率密度，同时确保其具备出色的循环稳定性，使其成为推动下一代高性能储能设备发展的核心材料。

3、在环保型导电油墨领域，将功能化石墨烯（FG）集成到油墨体系中展现出广阔的发展前景。相较于传统金属基导电油墨，基于功能化石墨烯的新型油墨具有显著优势。其卓越的导电性能够有效促进电子的高效传输，这一特性对印刷电子技术的发展至关重要。得益于独特的二维片层结构，功能化石墨烯具备超大的比表面积，这一特性能够增强油墨与基材间的界面相互作用，促使导电网络更加稳定、高效。同时，功能化石墨烯还具备出色的机械柔韧性与力学强度，使其在柔性电子器件与可穿戴设备制造中表现优异。反观传统金属基油墨，在受到机械应力时，容易出现开裂现象，导致导电性能下降甚至失效，难以满足新兴电子设备的应用需求。

图 3. 功能化石墨烯（FG）在水处理、超级电容器、导电油墨、润滑剂添加剂及聚氨酯泡沫中的应用场景

FJH 工艺的挑战与局限性
能源需求：FJH 工艺虽能实现材料的快速高效转化，但运行过程需消耗大量电能以维持高达 3000°C 的极端温度，用于石墨烯的合成。若电力来源依赖传统化石能源，该工艺将面临显著的碳排放压力；唯有搭配可再生能源供电，方能契合低碳发展目标。

材料兼容性：FJH 工艺对原料的选择性较强，仅适用于富含碳元素的材料。当处理含非碳杂质或污染物的废料时，不仅会降低石墨烯产品的纯度，还需额外增加除杂工序，导致成本上升与效率下降。

设备与基础设施：该工艺需配备耐高温、高压的特殊设备，以抵御极端工况。此类设备不仅购置成本高昂，且长期运行过程中，设备的维护保养难度大、费用高，对企业的资金与技术能力形成双重考验。

石墨烯质量控制：尽管 FJH 工艺可制备性能优异的石墨烯，但原料成分差异与工艺参数波动，易导致产品质量参差不齐。在规模化生产中，确保批次间的品质一致性，仍是亟待攻克的技术难题。

电子应用中的微细加工局限性：在电子器件的微细加工领域，化学气相沉积（CVD）技术凭借精确调控石墨烯薄膜厚度与成分的能力，成为生产高质量材料的首选方案，尤其在半导体行业，其稳定性与一致性更契合严苛的制造标准。相较之下，FJH 工艺虽具备成本优势，却因原料多为废料导致杂质含量高，难以满足电子器件对材料纯度与精度的要求。这种技术局限性，使得 FJH 在电子领域的研究进展缓慢，应用场景也主要局限于对精度要求较低的领域。

环境与安全风险：高温、快速加热的工艺特性，在处理活性材料时易引发热失控等安全隐患；同时，工艺过程产生的废气、废渣等副产品，若处理不当将对环境造成污染，需建立完善的排放管理体系以降低环境影响。

总结与展望

综上所述，本文综述了闪蒸焦耳加热（FJH）技术在石墨烯制备领域的最新进展，并展望了未来研究方向。作为前沿技术，FJH 通过高电压电流快速加热煤炭、塑料等碳基材料，可在毫秒至秒级时间内将其转化为高质量石墨烯，具备快速、节能、易规模化和低成本等优势。与传统化学气相沉积（CVD）相比，FJH 能耗更低、制备时间更短，每生产 1kg 石墨烯仅产生约 10kg CO₂，远低于传统方法的 400-500kg。该技术可直接处理电子垃圾、塑料、食物残渣等多种碳基废弃物，无需预分类或纯化，生产成本仅约 130-135 美元 / 吨，显著低于传统石墨烯的 60000-100000 美元 / 吨，在混凝土改性、导电油墨、润滑剂及超级电容器等领域展现出广阔应用前景。

当前 FJH 技术仍存在挑战：尚未实现每天 100 吨的规模化生产目标，且在电子微制造等高精度领域的应用受限。未来研究可聚焦以下方向：

上述策略将提升公众与科研界对 FG 的认知，推动 FJH 技术的产业化进程。

文章信息：Huiqun Wang‡ a, Yuxiang Mao‡a, Peng Xua, Yu Dinga, Huiping Yanga, Jian-Feng LiORCID logoa, Yu Gu*a, Jiajia HanORCID logo*b, Li ZhangORCID logo*a and Bing-Wei Mao. Scalable copper current collectors with precisely engineered lithiophilic alloy “skins” for durable lithium-metal batteries. DOI: 10.1039/D4EE05862C (Paper) Energy Environ. Sci., 2025.

信息来源：前沿实验仪器信息港

来源：科学论