一、研究背景

石墨烯和碳纳米管是碳的重要同素异形体，因其高比表面积、出色的导电性和导热性以及非凡的机械强度等优异特性而闻名于世。改性石墨纳米碳的一种有效策略是通过酸氧化来制造氧化形式的石墨纳米碳，如氧化石墨烯（GO）和氧化碳纳米管（oCNTs），从而引入极性表面功能。这些极性官能团增强了在极性溶剂中的分散性，使氧化纳米碳具有很高的水处理能力。[6] 通过分散和组装 GO 和 oCNT，然后去除溶剂，就有可能制造出低密度三维多孔气凝胶。这些气凝胶为在体相中实现纳米级石墨特性提供了一条途径，具有粉末类似物无法实现的特性。

目前，纳米碳（NC）气凝胶制造所面临的挑战主要涉及开发对气凝胶框架进行化学修饰的有效方法，尤其是在旨在恢复石墨特性的还原阶段。传统的热还原方法往往速度较慢，而且会产生不确定的最终产物，通常会导致 NC 结构内部的重新堆积，这在还原 GO 时尤为明显，从而损害了其纳米级特性。

采用局部电阻式电加热（也称为焦耳加热）是一种很有前途的替代方法，既可以单独使用，也可以与间隔物结合使用。这种方法能以高效率快速减少热量，有效防止重新堆积，同时保留气凝胶结构的表面积。由此产生的气凝胶具有独特的优势，包括表面积增大、量身定制的分层孔隙率可增强通过孔隙的质量传输，以及无需额外分离过程即可从反应中高效回收。然而，有关数控气凝胶应用的详细报道在文献中仍然有限。值得注意的是，超高温焦耳加热可用于快速合成无机纳米粒子（NPs），从而实现数控气凝胶的额外功能化，并扩大其多功能性。

为了证实电热驱动超高温焦耳加热方法的普遍性，我们进一步制备了由 GO 和 oCNT 组装而成的数控气凝胶。此外，这项研究还探索了利用超高温焦耳加热技术制备的杂化 NC 气凝胶的实际应用。我们深入研究了重新堆叠、石墨化、结构稳定性以及制造过程中碳足迹的影响。此外，我们还将气凝胶框架作为一个多功能平台，用于合成具有可调成分和催化功能的无机纳米颗粒。我们对这些混合气凝胶进行了全面的表征，以深入了解它们的结构和理化性质。然后将这些表征与它们的催化脱硫效率相关联，并通过理论计算阐明了其基本机制。

二、摘要

对碳纳米结构进行超高温焦耳加热为提高其性能和扩大其应用领域提供了独特的机会。本研究利用超高温（60 秒内高达 3000 K）的快速焦耳加热诱导纳米碳气凝胶发生转变，从而产生高度石墨化的结构。这些气凝胶是合成可定制金属氧化物纳米粒子的多功能平台，与传统的熔炉加热方法相比，可显著减少碳排放。气凝胶的热导率由 Umklapp 散射表征，可通过调整加热温度来精确调节。利用气凝胶的超疏水特性，可将其实际应用于过滤系统，从水中高效分离有毒的卤化溶剂。分层多孔气凝胶的表面积高达 607 m2 g-1，确保了嵌入的金属氧化物纳米粒子分布均匀、间距一致，为催化应用提供了相当大的优势。这些研究结果表明，该催化剂在氧化脱硫方面具有卓越的催化性能，可实现模型燃料中 98.9% 的二苯并噻吩转化率。这些结果得到了理论计算的证实，超过了许多高性能催化剂。这项工作强调了纳米碳结构在超高温、短加热持续时间下进行纳米粒子合成时的实用性和高效性。它的广泛影响延伸到电化学、能量存储和高温传感领域。

三、结论

总之，我们通过在纳米碳结构中加入 oCNT 作为间隔物，并结合闪灼焦耳加热技术合成了混合 rNC 气凝胶，从而获得了具有广泛优势的气凝胶。这些优势包括减少碳足迹、优异的导电性和导热性、高热稳定性、巨大的表面积、良好控制的微结构和超疏水性。通过相应的概念验证研究，证明了电热驱动化学调制策略增强了 rNC 气凝胶的性能。值得注意的是，利用 rNC 气凝胶的超疏水特性，使用定制的分离器分离了油/水混合物，与未还原的 NC 气凝胶相比，分离通量显著提高（提高了 72% 以上）。此外，rNC 气凝胶在高工作压力下表现出高效耐用的性能，并保持了出色的循环能力。我们利用闪蒸合成技术将钼基纳米催化剂均匀地加入到 rNC 气凝胶中，从而制备出具有出色催化氧化脱硫能力的 MoO2@rNC 气凝胶催化剂，使 DBT 转化效率高达 98.9%。此外，我们的研究还介绍了一种在空气气氛中进行闪速焦耳加热合成 MoO3 NPs 的创新方法。 总之，我们的研究强调了闪速焦耳加热作为一种高效节能的方法在生产具有多种应用的功能化混合数控气凝胶方面的潜力。

图2.a) 在 I = 0.55 A 的焦耳加热条件下对 NC 气凝胶前驱体进行预处理，去除水分，得到 NC 气凝胶。 b) 在 I = 10.12 A 的超高温焦耳加热 NC 气凝胶 60 秒，合成 rNC 气凝胶。插图： c) Umklapp 散射分析显示 rNC 气凝胶的热导率与焦耳加热温度之间的相关性。 e) NC 气凝胶和 rNC 气凝胶的电压、输入功率和焦耳加热温度之间的关系。NC 气凝胶和 rNC 气凝胶的电导率 f) 和热导率 g) 与焦耳加热温度的函数关系。

 

图3.NC气凝胶、rNC气凝胶10s气凝胶、rNC气凝胶30s气凝胶和rNC气凝胶的拉曼光谱和接触角曲线。a) 波长为 785 纳米的拉曼光谱，其中 D 波段被称为缺陷波段，代表 sp2 碳环的环呼吸模式，G 波段是主要的面内振动模式，代表构成石墨烯的平面构型 sp2 键合碳，2D 波段由不同面内振动的二阶泛音形成。c) 波长为 785 纳米的 IG/ID 值和 d) 波长为 785 纳米的 I2D/IG 值的拉曼图谱。