一、研究背景

电场在材料合成中的应用已成为现代科学和工程学中一个引人注目的研究领域。外部电场被广泛用于调节化学产品的活化能，使热化学反应在较低温度下进行，以及调节有机和无机产品的晶粒大小和排列。这些技术中使用的电场强度通常在 104 到 109 V/m 之间，但低至 102 V/m 的电场已被证明会影响反应产物。外部电场可改变合成产物，也有人认为电场的存在可对电中性粒子的运动产生影响。

闪蒸焦耳加热（FJH）作为一种具有高能量效率和超快加热速率的方法，最近已被用于合成多种材料，包括石墨烯、过渡金属瑀、无机纳米颗粒、以及其他各种碳化物和无机化合物。作为一种有效修复土壤和电池电极的方法，以及一种回收和升级材料的方法，它也得到了广泛的探索。与使用传导或辐射加热的传统化学加热方法不同，焦耳加热需要电流流过样品本身，进而直接加热原料。让电流通过反应物需要在几厘米宽的反应容器中施加通常高达几百伏的电势差，从而产生 103-104 V/m 量级的平均电场和 105-107 A/m2 量级的电流密度。在闪速石墨烯（FG）的合成过程中，我们之前的研究发现，仅靠热退火无法解释高湍流粒子的形成，这表明电流通过材料在石墨烯晶体的成核过程中起着直接作用。现在，石墨烯的合成规模已经扩大，因此有必要深入了解石墨烯的生长过程，以便更精确地控制石墨烯的结构和质量，即结晶度、缺陷密度和湍流特性，以满足各种应用的需要。

在此，我们通过实验解构了 FJH 在冶金焦炭转化为石墨烯过程中的电效应和热效应，以研究两者对反应焓、活化能和产物分布的影响。使用电热和纯热闪蒸反应合成 FG 过程中发生的焓变化表明，电场强度会影响碳原料的形态，因为碳原料会从无定形碳（AC）转化为涡晶（片间错位）FG，最后转化为有序 FG 和石墨，后者由伯纳（AB）和斜方体（ABC）堆积层组成。此外，实验和理论研究都证明，通过脉冲宽度调制来振荡反应的电流密度有利于这种相变。最后，理论模拟证明，石墨烯前驱体内部的诱导电场会降低反应的活化能，从而推动相变。这些结果表明，在闪焦耳加热反应中，电流可以直接驱动化学反应，从而加深了我们对这一过程中纳米晶体形成机理的理解。

二、摘要

利用闪蒸焦耳加热设备已成为石墨烯等纳米材料的一种超快、可扩展的多功能合成方法。在这里，我们从实验和理论上解构了热过程和电过程对闪焦耳加热合成石墨烯的贡献。传统的石墨烯合成方法涉及纯粹的化学或热驱动力，而我们的研究结果表明，石墨烯前驱体中电荷的存在和由此产生的电场催化了石墨烯的形成。此外，通过调节电流或脉冲宽度，还能控制材料从无定形碳到湍流石墨烯，最后到有序（AB 和 ABC 叠层）石墨烯和石墨的三步相变。最后，密度泛函理论模拟显示，石墨烯前驱体内部存在电荷和电流诱导的电场，可降低反应的活化能，从而促进相变。这些结果表明，电流通过固体样品可直接驱动闪焦耳加热过程中的纳米晶体成核，这一见解可为未来的焦耳加热或其他电合成策略提供参考。

三、结论

我们通过实验和理论模拟证明，通过闪焦耳加热将交流电转化为傅立叶变换是一个电热过程，而不仅仅是一个热过程。当电流通过反应物本身时，可极大地促进相变过程。通过改变闪光电压，还可以实现从交流电到湍流石墨烯再到石墨的相位控制。实验数据和 DFT 计算都表明，电热过程所需的能量比热过程低 2 倍。从湍流石墨烯转化为石墨的能量是交流电转化为湍流石墨烯的能量的 4 倍。最后，利用有限差分法分析并解释了电流和电场在相变过程中的重要作用。

图1.在 120 毫克 MCAC 上对热系统和电热系统进行比较。

图2.不同电压下的碳相变过程

图3.温度振荡对石墨烯相变的影响。