1. 背景乱层石墨烯由石墨烯片层错位、旋转和无序堆垛形成弱层间耦合和较大的层间错配使其在离子传输、电荷传导、储能和电催化等方向具有潜在优势。相比机械剥离、CVD 和氧化还原等传统路线生物质前驱体来源广、成本低、含碳量高是制备碳材料的重要原料但树叶等生物质含有大量羟基、羧基和醚键其热转化伴随脱水、脱羧、脱氢和碳骨架重排结构演化复杂如何在极短时间内将其可控转化为乱层石墨烯仍需要明确的工艺窗口和结构证据。2. 论文概要在本研究中邹菁云团队以树叶粉末为前驱体利用碳纳米管薄膜作为载体和加热元件在氩气保护下通过碳热冲击实现生物质向乱层石墨烯的快速转化并系统考察冲击功率和脉冲频率对产物结构的影响。实验显示反应体系可在约 190 ms 内由 300 K 升至 2740 K并在约 470 ms 内快速降温体现出毫秒级快速升降温和短时高温维持的非平衡热环境。结果表明适中冲击功率有利于降低缺陷并提高结晶度其中 1200 W 条件下产物结构较优提高脉冲频率可削弱层间范德华作用并促进片层剥离从而减少石墨烯层数。该工作为低成本生物质制备乱层石墨烯提供了工艺参考。3. 图文解读图 1 | 碳热冲击实现树叶前驱体快速石墨烯化图 1 展示了碳热冲击装置、树叶到石墨烯的转化路径及产物形貌。碳纳米管薄膜既作为载体又作为电热元件随功率从 800 W 升至 1400 W反应区温度由约 1120 K 提高至 2785 K前驱体经历碳化到石墨化转变。温度曲线显示体系在约 190 ms 内升至 2740 K并在约 470 ms 内冷却形成瞬态非平衡热环境TEM/HRTEM 进一步证明产物具有褶皱片层、局部晶格条纹和约 0.368 nm 层间距符合乱层石墨烯“局部有序、整体无序”的结构特征。图 2 | 片层堆叠和卷曲形成介孔型开放孔隙图 2 通过 N2 吸附-脱附测试揭示产物孔结构。低相对压力区吸附量较低说明微孔贡献不明显高相对压力区吸附量明显上升并出现滞后环表明片层堆叠、卷曲和局部团聚产生介孔或大孔空隙。BJH 孔径分布在约 3-4 nm 范围出现峰值脱附最可几孔径约 3.84 nm、平均孔径约 9.75 nm说明孔结构主要来自乱层石墨烯片层间开放通道而非微孔主导的多孔碳结构。图 3 | 冲击功率决定缺陷水平和结晶程度图 3 比较了不同冲击功率下产物的拉曼光谱。碳热冲击后样品均出现 D、G 和 2D 特征峰说明树叶前驱体已转化为石墨烯类碳结构IG/ID 随功率升高呈先升高后降低趋势表明结晶度先提高后下降。低功率下热输入不足脱氧、脱氢和 sp2 碳网络重排不充分1200 W 时缺陷较少、结晶程度较高继续升至 1400 W 则可能因局部高温和热应力过强造成片层断裂或局部剥离反而引入新缺陷。图 4 | 提高脉冲频率有助于减少石墨烯层数图 4 显示脉冲频率对乱层石墨烯层数和堆垛状态的影响。随着频率由 30 Hz 提高至 240 Hz2D 峰相对强度增强IG/I2D 持续降低说明产物层数减少。其原因在于高频脉冲缩短单次加热和冷却持续时间使已石墨化片层经历更频繁的热胀冷缩同时生物质官能团快速分解释放气体并增加层间压力从而削弱层间范德华作用、促进片层剥离获得层数更少、层间耦合更弱的乱层石墨烯。4. 总结展望这项工作的核心价值在于将低成本树叶前驱体与毫秒级碳热冲击耦合起来证明生物质碳源可在瞬态非平衡热环境中快速转化为具有高结晶度、弱层间耦合和开放孔隙的乱层石墨烯。研究进一步明确了两个关键调控维度冲击功率主要影响石墨化程度与热损伤之间的平衡脉冲频率主要影响层数与堆垛状态。未来若能进一步结合 XPS、XRD、原位温度场模拟和电化学性能测试建立功率-频率-结构-性能的定量关系并验证连续化放大制备的均一性该路线有望为生物质基石墨烯材料的绿色低成本制造提供更可操作的技术基础。论文信息Gu, X. et al. Study on the Preparation of Turbostratic Graphene from Leaf-Derived Precursors by Carbon Thermal Shock and Its Structural Evolution. Material Sciences, 2026, 16(6), 31-38. DOI: 10.12677/ms.2026.166135.
苏州科技大学Material Sciences：190毫秒升至2740 K，碳热冲击把树叶转化为乱层石墨烯
1. 背景乱层石墨烯由石墨烯片层错位、旋转和无序堆垛形成弱层间耦合和较大的层间错配使其在离子传输、电荷传导、储能和电催化等方向具有潜在优势。相比机械剥离、CVD 和氧化还原等传统路线生物质前驱体来源广、成本低、含碳量高是制备碳材料的重要原料但树叶等生物质含有大量羟基、羧基和醚键其热转化伴随脱水、脱羧、脱氢和碳骨架重排结构演化复杂如何在极短时间内将其可控转化为乱层石墨烯仍需要明确的工艺窗口和结构证据。2. 论文概要在本研究中邹菁云团队以树叶粉末为前驱体利用碳纳米管薄膜作为载体和加热元件在氩气保护下通过碳热冲击实现生物质向乱层石墨烯的快速转化并系统考察冲击功率和脉冲频率对产物结构的影响。实验显示反应体系可在约 190 ms 内由 300 K 升至 2740 K并在约 470 ms 内快速降温体现出毫秒级快速升降温和短时高温维持的非平衡热环境。结果表明适中冲击功率有利于降低缺陷并提高结晶度其中 1200 W 条件下产物结构较优提高脉冲频率可削弱层间范德华作用并促进片层剥离从而减少石墨烯层数。该工作为低成本生物质制备乱层石墨烯提供了工艺参考。3. 图文解读图 1 | 碳热冲击实现树叶前驱体快速石墨烯化图 1 展示了碳热冲击装置、树叶到石墨烯的转化路径及产物形貌。碳纳米管薄膜既作为载体又作为电热元件随功率从 800 W 升至 1400 W反应区温度由约 1120 K 提高至 2785 K前驱体经历碳化到石墨化转变。温度曲线显示体系在约 190 ms 内升至 2740 K并在约 470 ms 内冷却形成瞬态非平衡热环境TEM/HRTEM 进一步证明产物具有褶皱片层、局部晶格条纹和约 0.368 nm 层间距符合乱层石墨烯“局部有序、整体无序”的结构特征。图 2 | 片层堆叠和卷曲形成介孔型开放孔隙图 2 通过 N2 吸附-脱附测试揭示产物孔结构。低相对压力区吸附量较低说明微孔贡献不明显高相对压力区吸附量明显上升并出现滞后环表明片层堆叠、卷曲和局部团聚产生介孔或大孔空隙。BJH 孔径分布在约 3-4 nm 范围出现峰值脱附最可几孔径约 3.84 nm、平均孔径约 9.75 nm说明孔结构主要来自乱层石墨烯片层间开放通道而非微孔主导的多孔碳结构。图 3 | 冲击功率决定缺陷水平和结晶程度图 3 比较了不同冲击功率下产物的拉曼光谱。碳热冲击后样品均出现 D、G 和 2D 特征峰说明树叶前驱体已转化为石墨烯类碳结构IG/ID 随功率升高呈先升高后降低趋势表明结晶度先提高后下降。低功率下热输入不足脱氧、脱氢和 sp2 碳网络重排不充分1200 W 时缺陷较少、结晶程度较高继续升至 1400 W 则可能因局部高温和热应力过强造成片层断裂或局部剥离反而引入新缺陷。图 4 | 提高脉冲频率有助于减少石墨烯层数图 4 显示脉冲频率对乱层石墨烯层数和堆垛状态的影响。随着频率由 30 Hz 提高至 240 Hz2D 峰相对强度增强IG/I2D 持续降低说明产物层数减少。其原因在于高频脉冲缩短单次加热和冷却持续时间使已石墨化片层经历更频繁的热胀冷缩同时生物质官能团快速分解释放气体并增加层间压力从而削弱层间范德华作用、促进片层剥离获得层数更少、层间耦合更弱的乱层石墨烯。4. 总结展望这项工作的核心价值在于将低成本树叶前驱体与毫秒级碳热冲击耦合起来证明生物质碳源可在瞬态非平衡热环境中快速转化为具有高结晶度、弱层间耦合和开放孔隙的乱层石墨烯。研究进一步明确了两个关键调控维度冲击功率主要影响石墨化程度与热损伤之间的平衡脉冲频率主要影响层数与堆垛状态。未来若能进一步结合 XPS、XRD、原位温度场模拟和电化学性能测试建立功率-频率-结构-性能的定量关系并验证连续化放大制备的均一性该路线有望为生物质基石墨烯材料的绿色低成本制造提供更可操作的技术基础。论文信息Gu, X. et al. Study on the Preparation of Turbostratic Graphene from Leaf-Derived Precursors by Carbon Thermal Shock and Its Structural Evolution. Material Sciences, 2026, 16(6), 31-38. DOI: 10.12677/ms.2026.166135.
