厦门大学Nat. Commu.：8分钟制得石墨烯气凝胶，电热真空升华干燥拓展高温合成新方法

1.研究背景

石墨烯气凝胶（Graphene Aerogels, GAs）凭借超轻、高孔隙率的三维网络结构以及卓越的力学、电学与热学性能，在储能、环境修复及极端环境应用等领域展现出巨大潜力。然而，如何实现GAs的精准、可规模化制备仍是核心瓶颈，症结在于干燥工艺难以在保留精细纳米结构的同时兼顾成本效率与重复性。传统冷冻干燥（FD）依赖低温真空升华，耗时长达2200分钟，能耗高达22.98 kW·h；超临界干燥需高压溶剂置换，工艺复杂；普通热风干燥（FAD）则因毛细应力导致气凝胶体积收缩超90%，结构严重坍塌。三种主流方法均受制于扩散传质的固有缓慢性，干燥周期内残留溶剂与氧化积累持续侵蚀气凝胶长程结构完整性，导致能量利用率低下与材料结构不均匀，严重制约GAs从实验室到工业规模的转化。

2.论文概要

厦门大学田中群院士、谷宇教授和韩业创‌副研究员团队提出一种电热真空升华干燥（Electrothermal Vacuum Sublimation Drying, EVSD）方法，将快速焦耳加热与真空驱动相变工程有机融合，在约10 Pa低压下将碳毡加热至776 K，驱动GAs冰晶直接升华为蒸气而无需经历液态水阶段，从根本上消除毛细应力对三维孔网的破坏。与冷冻干燥相比，EVSD将干燥速率提升417倍（仅需8分钟），电能消耗仅为冷冻干燥的0.6%（0.14 kW·h），体积收缩率维持在<8%。更重要的是，EVSD不仅是高效干燥工具，其高温低压环境同步驱动含氧官能团热分解和碳-水气相刻蚀反应，将所制GAs（EVSD-GA）的比表面积提升至107.5 m²·g⁻¹（约为冻干样品的2倍）并优化表面化学，使其成为优异的电热转换材料。以此为平台，EVSD-GA作为局域高温电阻加热器，通过焦耳加热在核心区实现超过3500 K的极端温度，将中间相碳微球（MCMB）的石墨化过程从传统数天数百小时压缩至20秒，所得石墨化度超97%，锂离子电池负极比容量达358.4 mAh·g⁻¹（理论容量的96.3%）。此外，EVSD策略还在MXene气凝胶、木质碳海绵、高比表面积多孔碳及超细金属纳米晶合成等多种材料体系中验证了普适性。

3.图文解读

▍图1. EVSD原理与应用全景

图1从水的相图出发阐明EVSD的核心原理：在低压（~10 Pa）条件下，冰直接升华为水蒸气，绕过液态水阶段，彻底规避毛细应力与表面张力对气凝胶孔结构的破坏（对应相图中低压路径）；而常压路径（冷冻干燥/热风干燥）均需经历液态水，导致毛细压力损伤三维骨架。图1b对比了EVSD、FD与FAD三种干燥机制的本质差异；图1c直观展示同等输入功率下EVSD-GA作为电阻加热器的峰值温度显著高于商用碳纸与石墨烯薄膜；图1d将EVSD定位为集物理相变与化学转变于一体的多功能平台，涵盖石墨烯气凝胶干燥、高温合成、化学品制备与纳米材料制造四大应用方向。

▍图2. EVSD干燥效率与能耗基准测试

图2系统量化了EVSD的干燥性能优势：光学照片（图2b）直观记录冰冻水凝胶在EVSD条件下快速转变为气凝胶的过程，体积收缩率<8%（FAD超90%收缩）；干燥速率比较（图2d）显示EVSD仅需8分钟完成干燥，相比FD（2200分钟）与FAD（630分钟）分别提速275倍与79倍；能耗仅为0.14 kW·h，是FD（22.98 kW·h）的0.6%；图2e的基准图谱将EVSD置于已报道干燥方法坐标系中，兼具最短时间与最低能耗，综合性能全面超越冻干、热风及超临界干燥，同时满足工业规模化的效率与成本要求。

▍图3. 气凝胶结构表征与EVSD普适性

图3对EVSD-GA与FD-GA进行全面结构与化学对比：SEM图像（图3a）证实EVSD完整保留了气凝胶分级多孔骨架；孔径分布（图3c）两者均约4 nm，结构一致；N₂吸附（图3d）显示EVSD-GA的BET比表面积高达107.5 m²·g⁻¹，约为FD-GA（56.3 m²·g⁻¹）的2倍，源于EVSD同步完成含氧官能团热分解、碳-水气相刻蚀造孔（C+H₂O→CO+H₂）及气态产物快速扩散逸出的三重协同机制；XPS（图3f）证实EVSD-GA中含氧基团显著减少，C=C/C-C占比大幅提升，无需后续退火即可应用；图3g–h进一步展示EVSD成功制备Ti₃C₂Tₓ MXene气凝胶，验证了该方法对多材料体系的普适性。

▍图4. EVSD干燥动力学机制解析

图4从热质传递理论层面深入解析EVSD干燥机理：不同温度下的干燥曲线（图4a）显示温度从295 K升至776 K时，达到相同干燥程度所需时间从690 min压缩至8 min；脱水速率（图4b）呈现先峰后衰的规律，高温长时段出现偏差，揭示过程由升华主导向扩散限速的机制转变；由于GAs孔径（~4 nm）远小于水分子平均自由程（~1 mm），传质须采用Knudsen扩散模型（Dk∝T⁰·⁵）而非自由扩散；数学模型拟合（图4c，R²=0.9795）精确关联干燥时间与温度；图4d的机理示意图揭示EVSD两阶段顺序：辐射热驱动冰直接升华 → 水蒸气穿越已干燥区域扩散至表面逸出真空，由此确立了以辐射加热-Knudsen扩散耦合为核心的EVSD干燥理论框架。

▍图5. GA构建局域超高温场的电热性能

图5全面展示了EVSD-GA作为局域高温电热材料的卓越性能：通电时GA核心区发出明亮红白色辐射光（图5b），COMSOL多物理场仿真（图5c）定量揭示GA核心温度高达3500 K，表面稳定在1778 K，两者相差超1700 K；这一极端温度梯度源于GA高比表面积促进高效辐射加热与内部多次散射-吸收，同时低热导率（<0.05 W·m⁻¹·K⁻¹）抑制热量向外传导，将GA塑造为自包容式高温反应器；在相同输入功率下，GA峰值温度显著高于碳纸与石墨烯薄膜（图5d）；连续加热无明显温度波动（图5e），经2000次电热冲击循环后表面-核心温度梯度与电阻值高度稳定（图5f），证明EVSD-GA具备支撑高温合成应用的可靠耐久性。

▍图6. 20秒超快石墨化MCMB及其锂离子电池性能

图6将EVSD-GA高温平台应用于中间相碳微球（MCMB）的超快石墨化：GA核心3500 K瞬态高温场驱动MCMB在仅20秒内完成石墨化，而传统电阻/感应炉工艺通常需要数十至数百小时；XRD与Raman（图6b）定量证实JH-MCMB的(002)衍射峰红移（d₀₀₂从0.34310 nm压缩至0.33565 nm），石墨化度超97%，缺陷显著降低；SEM/TEM与SAED（图6c）显示球形形貌保持完好而表面更光滑，衍射环由漫散变为锐利；文献对比图（图6d）揭示JH-MCMB在合成时间最短的同时石墨化度最高，综合性能处于领先水平；锂电池测试中JH-MCMB@C的CV曲线与商用石墨高度吻合（图6e），首圈比容量达358.4 mAh·g⁻¹（理论容量的96.3%），初始库仑效率93.54%，50圈循环容量基本无衰减（图6f），性能位居已报道石墨负极前沿（图6g）。

4.总结与展望

本研究创建了以EVSD为核心的电热多功能制备平台，通过将焦耳加热与真空相变工程融合，从根本上解决了石墨烯气凝胶长期面临的可规模化制备、能量效率与结构保真度三大核心挑战：干燥效率提升417倍、能耗降至冻干的0.6%，且同步实现含氧基团去除与孔结构优化，无需额外后处理；利用EVSD-GA构建的局域3500 K超高温场将MCMB石墨化周期从数百小时压缩至20秒，所得石墨化度（>97%）与锂电负极容量（358.4 mAh·g⁻¹）均达到业界顶尖水平。这一"物理相变+化学转变"协同策略的普适性已在MXene气凝胶、木质碳、多孔碳及金属纳米晶等体系中得到验证。未来可进一步拓展EVSD平台在超高温难熔碳化物合成、原位反应监测及连续工业化制备中的应用潜力，推动高性能功能材料从克级实验室制备到工业化量产的关键跨越。

参考论文：Hu, S.-F., Yang, M.-Z., Cao, P.-Y. et al. Electrothermal vacuum sublimation drying of graphene aerogels for high-temperature synthesis. Nature Communications, 2026, Article in Press. DOI: 10.1038/s41467-026-74752-z。