论文概要
焦耳加热（JH）作为一种极具前景的电热方法，为碳材料的可持续合成与调控提供了全新途径。其超快加热速率、高能效以及优异的可扩展性，使得从多种前驱体快速转化为具有可调性能的碳结构成为可能。本综述系统总结了基于JH的多种碳材料合成进展，包括石墨碳、闪蒸石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管和碳纳米纤维。同时，本文综述了杂原子掺杂和金属负载等策略， 深入理解JH诱导转化的机理对于工艺优化至关重要。机器学习和多尺度模拟揭示了极端热条件下的反应路径、缺陷演化和电子结构变化，为材料行为的预测控制提供了支撑。本综述还通过生命周期评估评价了JH的环境和经济可行性，量化了能源投入、碳排放和成本，以评估其作为制造方法的可持续性。
当前，JH规模化面临电极性能不稳定、实时监测受限以及大规模生产障碍等挑战。未来研究可聚焦于开发集成电-热-力多物理场的耦合模型与原位表征技术，发展机器学习引导的优化算法实现实时过程控制；通过优化电流密度、电极材料选择和智能能源管理提升能效；开发紧凑灵活的模块化反应器以降低成本并适应不同材料体系；同时推动JH与可再生能源、智能制造的深度整合，建立闭环碳循环系统。本综述将合成、机理、理论计算与可持续性评估相结合，突显了JH在高效、可控、环境友好地生产碳材料方面的潜力，为低碳能源技术和绿色制造工艺提供了重要参考
图1 焦耳加热合成碳材料的研究框架
图2 焦耳热的工艺特征及设备优势
图3 闪蒸石墨烯的合成过程、形貌演化及形成机理
图4 焦耳热合成不同碳材料
论文重点
综述了焦耳加热超快速、高能效合成碳材料的研究进展：涵盖石墨碳、闪蒸石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管和碳纳米纤维等多种碳材料的合成策略与性能调控。
总结了焦耳加热实现高效杂原子掺杂和金属负载的方法与机制：包括N、S、P、B等杂原子掺杂以及金属纳米颗粒、单原子催化剂的负载策略。
梳理了机器学习与多尺度模拟在揭示焦耳加热反应机理中的应用：涉及分子动力学模拟、ReaxFF反应力场及贝叶斯优化等方法。
分析了生命周期评估对焦耳加热可持续性的论证：从能耗、碳排放和成本等维度评价了该技术的环境与经济效益。
探讨了焦耳加热通过高效能源与材料利用推动循环经济的潜力：重点关注废弃物向高附加值碳材料的转化及其对碳中和目标的贡献。
主要观点
焦耳加热具有超快热响应和高能量转换效率：加热速率可达10⁵ K/s，冷却速率达10⁴ K/s，电热转换效率接近100%，可在毫秒至秒级时间尺度内实现碳材料的快速合成与结构调控。
多种碳前驱体可通过焦耳加热转化为高性能碳材料：炭黑、生物质、聚合物、橡胶等前驱体在焦耳加热条件下可分别转化为石墨碳、闪蒸石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管和碳纳米纤维等。
工艺参数的精准调控决定碳材料的结构与性能：通过调节脉冲时长、电流强度和电阻等参数，可实现对石墨化程度、缺陷密度和微观形貌的有效控制。
焦耳加热可高效实现杂原子掺杂与金属负载：通过前驱体设计实现N、S、P、B等杂原子的高效掺杂，以及金属纳米颗粒和单原子催化剂的均匀分散，显著提升电化学和催化性能。
机器学习与多尺度模拟为机理研究和工艺优化提供了有效工具：分子动力学模拟、ReaxFF反应力场和贝叶斯优化等方法可揭示极端热条件下碳结构的演化机理，指导实验设计。
生命周期评估证实焦耳加热具有显著的可持续性优势：与传统热解方法相比，可降低80%以上的温室气体排放，能耗降低约三个数量级，同时支持废弃物的高值化利用。
作者简介
第一作者：潘子君
南京农业大学工学院硕士研究生，主要从事焦耳热合成碳材料的基础理论研究。
通讯作者：陈伟
南京农业大学工学院副教授，华中科技大学博士，师从陈汉平教授和杨海平教授，主要从事生物质废弃物热解制备化学品、液体燃料和炭材料研究。主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金特别资助等科研项目。以第一/通讯作者在Proceedings of the Combustion Institute、Environmental Science & Technology、Renewable and Sustainable Energy Reviews、Applied Energy等能源与环境领域权威期刊发表SCI论文36篇，含ESI高被引论文2篇、热点论文1篇；2021年获第38届国际燃烧会议杰出论文奖。
论文引用
Pan Z, Shi X, Zhu Z, Tao X, Zhao X, Xu L, et al. Joule heating for carbon material Synthesis: Mechanisms, material evolution, and sustainable prospects. Renewable and Sustainable Energy Reviews.2026;226. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2025.116290
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.116290
供稿丨 潘子君
编辑丨 秦呈阳
审核丨陈伟 邵敬爱
