【解读】顶刊合集！高通量全自动化焦耳热设备引领材料制备技术的新纪元

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通过原子捕获（AT，空气中温度为800 ℃）的单原子Pt₁/CeO₂催化剂显示出优异的热稳定性，但是由于Pt²⁺在高度对称的正方形平面Pt₁O₄配位中的过度稳定，它在低温下对CO氧化不起作用。虽然还原活化形成铂纳米颗粒（NPs）可以提高活性，但是NPs易氧化，导致活性急剧降低。在此，本文报道了通过热冲击（TS）合成法对孤立Pt²⁺的局部环境进行调整，可以得到高活性和热稳定性的Pt₁/CeO₂催化剂，其在工业相关负载（1wt%）下具有抗氧化性和低温CO氧化反应性。

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https://doi.org/10.1002/anie.202108585

单原子催化剂具有独特的配位环境和最大的原子利用率，在很多反应中表现出极好的性能。尽管高温可以促使金属原子与基体之间形成键增强其稳定性，然而由于热力学会促使原子聚集形成纳米粒子，因此，在高温下合成单原子催化剂仍然是一个很大的挑战。本文作者利用可控高温冲击波通过周期性的开-关，在高温下（1500K-2000K）合成并稳定了单原子。这种快速加热-冷却的方法可以将金属纳米粒子分散成单原子，而且具有极好的稳定性。

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https://doi.org/10.1038/s41565-019-0518-7

陶瓷因其高的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性而广泛应用于电子、储能和极端环境。传统的陶瓷烧结往往需要数小时的加工时间，这可能成为高通量发现先进陶瓷材料的障碍。在此，本文报告了一种称为超快高温烧结（UHS）的陶瓷合成方法，该方法具有温度分布均匀、高升温（~103 ~ 104℃/min）、高冷却速率（高达104℃/min）和高烧结温度（高达3000℃）的特点。超高速的加热速度和温度使烧结时间达到了10秒左右，远远超过了大多数传统炉的烧结速度。

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https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aaz7681

众所周知，高熵陶瓷及其复合材料显示出高机械强度和高温稳定性。然而，强共价键特性和低自扩散系数等特性使它们难以烧结，限制了它们的大规模普及。在此，本文提出了一种快速液相辅助的超高温烧结策略，并使用高熵金属二硼化物/碳化硼复合材料作为概念验证，其可以提高高熵、高温陶瓷的致密性，而不会失去其高熵结构。其中，本文使用的加热陶瓷的温度高于传统熔炉或热压（~2500 K）所能达到的温度，但低于通过电弧熔化等技术达到的超高温（~3300 K），这有助于促进有效的致密化但没有完全熔化材料，因此保留了高熵结构。

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8241

由于传统石墨阳极的镀锂问题和有限倍率能力，快速充电锂离子电池（LIB） 的部署面临重大挑战。Wadsley-Roth相Nb基氧化物因其独特的开放框架晶体结构、多电子转移（每个金属原子≥2个）和安全的锂化平台（1.0~1.5 V vs Li⁺/Li）而成为快充LIB的潜在负极材料。然而，传统的合成方法不可避免地需要耗时耗能的退火过程，导致生产效率低下。在热冲击的过程中，超快加热速率（104-105 K min^-1）将传统方法中缓慢的固态过程转变为快速的液相参与的反应过程机理，并驱使化学反应远离平衡，从而在材料中引入氧空位和位错，并且使颗粒纳米化，这有利于提升材料的电化学性能。CTS技术提供的超快冷却速率（103-104 K min^-1）缓解了通常由高反应性Nb₂O₅液相引发的颗粒烧结问题。通过理论计算证明，氧空位的存在降低Li⁺扩散能垒并提高电子电导率。此外，位错有助于将Li⁺插层产生的表面拉应力转化为压应力，从而有效提高循环过程中的电极结构完整性。利用这种方法，在30s内合成了一系列的Wadsley-Roth相负极（Nb₁₄W₃O₄₄、TiNb₂O₇、Ti₂Nb₁₀O₂₉、TiNb₂₄O₆₂和AlNb₂O₂₉）和主流的正极材料（LiFePO₄和LiMn₂O₄）。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202315248

尖晶石LiMn₂O₄由于它的低成本、高放电电压（~4.0 V）以及非毒性等优点成为最有潜力的正极材料之一。然而，不可逆相变以及Mn溶解导致了其较差的循环性能。此外，传统制备方法长时间的热处理（通常数小时）导致其高的能量消耗以及制造成本。本文中，作者利用超快的焦耳热方法在数秒内合成了一种包含层状Li₂MnO₃与尖晶石LiMn₂O₄的异质结构正极材料。基于锂过量的前驱体，焦耳热方法的非平衡的属性促使了异质结构的超快形成。引入的层状Li₂MnO₃相可以作为结构稳定剂去抑制不可逆相变以及Mn溶解。因此，异质结构正极展示出优异的循环性能（5C倍率下循环800圈的容量保持率为83%）。

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148045

提高陶瓷固态电解质 (SSE) 的性能通常依赖于加入有效的填料。然而，填料的选择通常仅限于少数高度稳定的填料，因为常规方法长期烧结往往会导致挥发性组分的严重损失。

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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01554

固态电池（SSB）比传统的基于液体或凝胶的电池具有更好的安全性和潜在更高的能量密度。在实践中，SSB的实施通常需要由陶瓷固体电解质（SSS）制成的3D多孔支架。

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https://doi.org/10.1002/adma.202100726

石墨烯及其家族材料的大规模生产在过去一直面临困难和成本高昂问题，从而阻碍了其更广泛的商业应用。较大规模制备的石墨烯质量往往较差，亟需改进质量控制。本文总结了当前工业界的石墨烯合成与分析方法，以及近期在大规模或可持续合成石墨烯方面的学术进展，这里定义的石墨烯是重量超过200毫克或薄膜面积超过200平方厘米的。特别强调了使用闪电焦耳加热作为一种快速、高效和可扩展的方法来生产石墨烯和其他二维纳米材料的最新研究。介绍了反应器设计、合成策略、安全考虑、原料选择、拉曼光谱以及闪电焦耳加热合成的未来展望。最后，讨论了大规模合成石墨烯的现存挑战和机遇，以及对更广泛使用闪电焦耳加热进行大规模二维材料合成的视角。

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https://doi.org/10.1002/adma.202106970

二维石墨烯材料由于其优异性能而在很多领域都有广泛的应用前景。然而，基于石墨烯纳米片的宏观结构材料（如纤维，薄膜，复杂形状的块体材料）在导电性和载流子迁移率方面等方面的性能远远小于一片单独的高质量石墨烯纳米片。在此，本文报道了通过控制石墨烯纳米片上纳米孔的开，关实现高密度，高质量石墨烯体相材料的装配。利用在石墨烯纳米片上诱导形成的纳米孔，实现多孔石墨烯的干法压制或模塑成型，亦可实现液相处理时的溶剂快速移除。成型后，纳米片上的纳米孔可以通过电加热方法在高温下快速快速闭合或修复（~2700K）。与石墨炉中的传统高温处理不同，焦耳电加热速度快，最快可达几毫秒，成本低，并且在存在更高电阻的石墨烯纳米片之间的接合点处可以引起超高温。

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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.09.001

多元金属纳米颗粒在催化、储能、和影像等诸多领域具有广泛的应用前景，但传统湿法合成很难得到三元以上的金属纳米颗粒。熔炼法可以得到五元以上机械性能优异的块体高熵合金，但却非常难以纳米化。本文作者提出了一种将多达8种不同元素合金化为单相固溶纳米颗粒（称为高熵合金纳米颗粒（HEA NP））。将前体金属盐混合物热冲击加载到碳载体上[温度~2000K，持续时间55Ms，速率~105K/S ]。通过控制碳热冲击（CTS）参数（基体、温度、冲击持续时间和加热/冷却速率），合成了具有所需化学（成分）、尺寸和相（固溶体、相分离）的多种成分纳米颗粒。并合成了五元HEA-NP作为氨氧化催化剂，经过长时间的实验测试，其转化率约为100%，氮氧化物选择性大于99%。

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https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.aan5412

高熵合金(HEA)是一种新兴的材料。就其合成而言，由于大多数金属元素在热力学平衡条件下不发生相溶，因此传统的湿式化学方法通常会导致元素相分离。实现均匀混合的五种元素通常需要使用极高的温度，其次是“冻结”这个非平衡状态的快速冷却速率>103 K/s。然而，传统炉加热只能达到∼1300 K，加热/冷却速率只有几十到几百K/min。此外，很难保证从表面到炉中心的温度均匀性，可能导致纳米颗粒的元素或相分离。为了克服这些限制，人们正在开发不基于传统熔炉的快速加热方法，以合成非平衡材料。微波加热是诱导热能的一种有效方法，已被用于合成有机和高质量的碳材料、以及碳负载纳米材料。在此，本文报道展示了一种简便、高效和可规模化的微波加热方法，用于在不同尺寸的碳基衬底上合成HEA-NPs。这种微波加热方法具有超高温度、加热分布均匀、加热冷却速度快、适用于不同尺寸的碳材料、成本效益等优点。鉴于上述优点，这种微波辐射诱导焦耳加热方法在可扩展生产纳米材料中具有很高的潜力。

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 https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05113

金属有机框架材料（MOFs，Metal-organic frameworks），因表面积高、孔结构可调控以及活性位点多等特点，已成为一种去除有机污染物的新型催化材料。但是，目前已报道的许多新型MOFs复合材料，因可加工性、水稳定性以及可回收性等问题，其大规模制备及可持续和工业化应用环境均不理想。基于此，本文研究人员结合3D打印技术在复杂器件构筑及自由设计、制造与成型等领域的优势，开展了3D打印MOFs修饰的多孔陶瓷催化材料与器件研究，用于水体有机污染物催化降解。研究人员首先研发了由磷酸铝溶胶（AP）、亲水性气相SiO₂和聚苯乙烯微球（PS）组成的3D打印陶瓷墨水，其中PS微球用于调节3D打印陶瓷的孔隙度；然后，用墨水直书写（DIW）3D打印技术挤出成型，并经高温煅烧后获得高精度的三维多级多孔陶瓷骨架；最后，通过聚多巴胺表面修饰和水热法处理技术，在3D打印的多级多孔陶瓷骨架上原位生长MOFs颗粒，从而制备出具有结构可调性、高催化活性、长期稳定性以及易于器件化的MOFs修饰的3D打印多级多孔催化剂。

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125392

硅胶等热固性材料随处可见。然而，现有的热固性材料制造要么制造周期长(如反应注射成型)，要么几何复杂性低(如铸造)，或可加工材料有限(如前向聚合)。本文中，研究人员通过将焦耳加热器集成到打印头中，开发了一个3D打印平台，该平台能够对具有多种流变性和功能性的热固性进行墨水直写(DIW)打印。焦耳加热器提供高温环境，使固化油墨基材的顶面保持高温。当热固性油墨新鲜挤出和沉积时，其上下两面都被加热，导致原位双重加热启用的快速交联反应。

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https://www.nature.com/articles/s41467-023-35929-y

作为一种新兴制造技术，3D打印提供了高度的设计自由度和高效的产品开发效率。但用于打印高性能3D结构的可回收可再生油墨的开发仍是一项巨大的挑战。在此，研究人员制备了可作为3D打印油墨的FG/大豆油基生物复合材料。该材料可用于轻质声学元结构等的制造，打印的3D结构在承重和消音等应用中表现出良好特性，并可节约原料的使用。其中，FG可改善材料的机械性能和打印适性；材料的碳源来自二氧化碳，并可通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术实现循环利用。

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https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08157

高频电磁技术的广泛应用促进了高效电磁波（EMW）吸收材料的研究和实现。复杂的电磁环境需要高效的电磁波吸收材料，其吸收能力强、厚度薄、重量轻、吸收频带宽。传统的金属基吸波体虽然在一定程度上表现出较高的磁损耗和较强的吸波能力，但密度高、稳定性差的缺点严重阻碍了其进一步发展。高熵材料 (HEM) 是一类具有高度组成复杂性的材料，其典型特征是存在接近等摩尔浓度的多种主要元素。由于高构型熵、晶格畸变、延迟扩散和鸡尾酒效应等特性，高熵吸收体在电磁波吸收领域引起了广泛关注。然而，它们的高密度和有限的化学稳定性阻碍了它们作为轻质吸收剂的进步。在此，本文利用静电纺丝和焦耳加热方法成功地将五元FeCoNiCuMn HEA集成到蜂窝状多孔碳纳米纤维（HCNF）中。利用固有的晶格畸变效应和蜂窝结构，HCNF/HEA复合材料在2wt%的超低填充量下表现出出色的电磁波吸收性能。它的反射损耗最小为-65.8dB，最大吸收带宽高达7.68GHz。这项研究不仅展示了 HCNF 与 HEA 结合的有效性，而且强调了焦耳热合成在开发轻质 HEA 基吸收剂方面的潜力。

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https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11408