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 Hz，2D 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.