在碳中和的宏大背景下，新能源的发展正如破晓的曙光，迅速而耀眼。21世纪，人类对可持续、廉价且可靠的能源获取的渴望，如同对生命之水的渴求，至关重要。在这一追求中，电化学以其在能源转换、存储与利用上的诸多机遇，成为了希望的灯塔。然而，这条道路并非坦途，缺乏合适的材料成为了前进道路上的绊脚石。

       近年来，高温冲击（HTS）技术作为一种新兴的超快纳米材料合成方法，迅速崛起并受到广泛关注。其核心技术是焦耳热与传统合成方法相比，HTS展现出显著的优势：操作简便、合成速度快、对底物和前驱体的要求较低，同时能够精准调控材料的结构特性（例如构建传统方法难以实现的亚稳态材料），且合成的纳米材料具有优异的稳定性。在碳基纳米材料的合成中，HTS技术表现尤为突出。它能够生成超小尺寸的纳米颗粒，显著优化材料的电荷存储和传输性能，为电化学应用提供了新的可能性。本文将系统介绍HTS方法的发展历程、相关仪器设备、合成与加热原理、温度测量原理以及碳基纳米材料的合成机理。此外，本文还将深入探讨HTS技术在能源相关电化学领域的具体应用及其性能优化策略，为未来纳米材料的设计与合成提供新的思路和方向。

文章概述

       南京理工大学朱贺、兰司教授团队近期发表的一篇综述文章“High Temperature Shock (HTS) Synthesis of Carbon-Based Nanomaterials for Electrochemical Applications”深入探讨了高温冲击（HTS）法制备碳基纳米材料在电化学领域的最新进展。这篇综述系统回顾了过去十年中通过HTS方法制备的各类碳基纳米材料及其在电化学领域的广泛应用，重点阐述了其合成原理及性能优化的关键机制。文章详细介绍了HTS技术在制备碳基纳米材料中的独特优势，尤其是在锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、水分解反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、硝酸盐还原反应、其他电催化反应以及燃料电池等领域的显著贡献。HTS方法不仅能够高效合成高性能的碳基纳米材料，还能通过精准调控材料的结构和性能，显著提升其在电化学应用中的表现。研究团队对HTS法制备碳基纳米材料在电化学应用中的未来发展方向提出了建设性建议。这些建议为后续科研工作者提供了重要的研究方向，有望推动该领域在材料设计、合成技术及电化学性能优化等方面取得更多突破性进展。朱贺、兰司教授团队的研究不仅为碳基纳米材料的合成与应用提供了新的视角，也为电化学领域的可持续发展注入了新的动力。

       南京理工大学朱贺、兰司教授团队的综述文章，系统梳理了高温冲击（HTS）方法在碳基纳米材料制备及其电化学应用中的最新进展，为这一领域的研究提供了重要的理论支持和实践指导。文章全面回顾了过去十年间，利用HTS方法制备的各类碳基纳米材料，锂离子电池：HTS合成的碳基材料作为电极材料，显著提升了电池的能量密度和循环稳定性。锂硫电池：通过HTS方法制备的碳基材料有效抑制了多硫化物的穿梭效应，提高了电池的容量和寿命。锂空气电池：HTS合成的碳基催化剂优化了氧还原和氧析出反应，提升了电池的效率和稳定性。水分解反应：碳基纳米材料作为高效电催化剂，促进了水分解制氢和制氧过程。氧还原反应（ORR）：HTS方法制备的碳基材料在燃料电池中表现出优异的ORR催化活性。二氧化碳还原反应（CO2RR）：碳基纳米材料作为催化剂，实现了高效、选择性的CO2还原。硝酸盐还原反应：HTS合成的材料在环境治理和能源转换中展现了潜力。其他电催化反应：包括氮还原、甲醇氧化等。燃料电池：碳基材料作为电极或催化剂，提升了燃料电池的性能。

         高温驱动反应：HTS方法通过高温（通常在1000°C以上）驱动反应，实现快速合成。快速加热与冷却：极快的加热和冷却速率（可达10^4–10^6 K/s）有效抑制了纳米粒子的进一步生长，从而获得超小尺寸和高比表面积的纳米材料。可控碳空位驱动相变：通过调控碳空位，实现材料结构的精确设计。碳的精确工程设计：优化碳基材料的微观结构，提升其电化学性能。亚稳态形成与保持：利用高能和快速冷却形成并保持亚稳态结构，赋予材料独特的性能。负载物与碳载体相互作用：通过微调负载物与碳载体间的相互作用，优化催化活性。掺杂与复合协同效应：通过简单的掺杂和复合，诱导不同成分间的协同效应，提升材料性能。朱贺、兰司教授团队的综述文章不仅系统总结了HTS方法在碳基纳米材料制备及其电化学应用中的最新进展，还深入揭示了合成与优化的科学原理，并为未来发展提供了前瞻性建议。这篇综述为碳基纳米材料的研究和应用提供了重要的理论支持和实践指导，有望推动该领域在能源、环境和催化等领域取得更多突破性进展。

图文概述

图1：（a） HTS 的原理和过程。（b） 焦耳超快加热设备。（c） 焦耳闪蒸加热设备。

       图1(A)展示了高温冲击（HTS）技术的核心加热原理，即利用电流通过导体时产生的焦耳热。在典型的HTS合成过程中，反应区的温度可以在极短时间内（加热速率高达10^5 K/s）迅速升高至数千开尔文，随后在几毫秒内快速冷却。这种极快的加热和冷却过程基于焦耳定律（Joule's Law），即电流通过导体时产生的热量与电流的平方、导体的电阻以及通电时间成正比（Q = I²Rt）。这种高效的加热方式使得HTS技术能够在极短时间内完成材料的合成，同时抑制纳米粒子的过度生长，从而获得超小尺寸和高比表面积的纳米材料。图1(B)和(C)展示了HTS合成中主要使用的两种设备：焦耳超快速加热设备和焦耳闪蒸加热设备。这些设备的常见设置通常包括以下四个核心部分：加热反应室：用于容纳反应物和导体，提供高温反应环境。光谱仪：用于实时监测反应过程中的温度变化和材料结构演变。直流电源：提供高电流，通过导体产生焦耳热。真空泵：用于维持反应室内的真空或惰性气体环境，防止材料氧化或污染。极快的加热速率：通过高电流在极短时间内产生大量热量，使反应区温度迅速升高。快速冷却：在电流停止后，反应区温度迅速下降，形成快速的热冲击过程。精准控温：通过调节电流大小和通电时间，可以精确控制反应温度和时间。

图2：(a-c) 使用 HTS 合成 HEA、抑制生长和应用催化的示意图。(d-f) 高温热冲击技术用于调节碳基纳米材料的结构，以构建传统方法难以实现的亚稳态材料的应用。（g）高温热冲击法中的高温和快速加热可以改善碳纳米材料的微观结构的应用。

       图2(A-C)展示了高温冲击（HTS）技术在合成高熵合金（HEA）、抑制纳米颗粒生长以及催化应用中的示意图，进一步揭示了HTS技术的独特优势及其在材料科学中的广泛应用。HTS技术能够在极短时间内（通常为毫秒级）实现高温加热和快速冷却，这种极快的反应速度有效限制了纳米颗粒的生长，使其保持在纳米尺度范围内。快速冷却过程有助于形成亚稳态结构，这些结构在传统合成方法中难以实现。HTS技术通过以下两种机制调控纳米颗粒的分散性：受阻团聚法：通过快速冷却抑制颗粒的团聚，使其均匀分散。锚定生长法：通过将纳米颗粒锚定在载体上，控制其生长和分布。图2(D)：选择性合成相纯碳化钼：通过控制焦耳闪蒸加热（FJH）的脉冲电压，实现了相纯碳化钼的选择性合成。这种方法展示了HTS技术在精准调控材料相态和结构方面的潜力。图2(E)：合成氟化碳异构体：利用FJH技术合成了三种不同的氟化碳异构体。研究表明，HTS技术能够通过调节反应条件实现材料结构的多样化。图2(F)：合成Pt-Ni合金纳米颗粒：使用HTS技术在碳载体上合成了具有不同Pt-Ni比例的Pt-Ni合金纳米颗粒。通过优化合金比例，获得了性能最佳的催化剂，展示了HTS技术在催化材料设计中的优势。图2(G)：CNT纤维的快速拉伸与致密化：通过施加高脉冲电压和焦耳热，在几毫秒内实现了碳纳米管（CNT）纤维的快速拉伸和致密化。这种处理显著提高了CNT纤维的导电性和稳定性，证明了HTS技术在改善碳纳米材料微观结构方面的有效性。图2(A-G)通过一系列实例，全面展示了HTS技术在材料合成与性能优化中的独特优势。HTS技术不仅能够实现超快的加热和冷却，还能精准调控材料的微观结构和性能，为构建高性能纳米材料提供了强有力的工具。这些研究为碳基纳米材料的设计与应用开辟了新的方向，推动了材料科学和电化学领域的创新发展。

图3：HTS制备的碳基纳米材料在锂离子电池中的应用。

       图3(A-D)展示了高温冲击（HTS）技术在碳基材料合成、再生及其在电化学储能领域应用的潜力，进一步凸显了HTS技术在材料科学和能源领域的重要价值。图3(A)：超高温下石墨化与杂化结构碳的制备。石墨化过程：在超高温（3228 K）下，HTS技术通过热冲击促进了碳材料的石墨化，形成了高度结晶的石墨结构。杂化结构碳：在机械冲击的作用下，制备了由结晶碳和非晶碳组成的杂化结构碳。这种杂化结构结合了结晶碳的高导电性和非晶碳的高比表面积，为电化学储能提供了优异的性能。图3(B)：碳负极的环境影响与回收需求。环境影响：随着电池使用量的增加，处理不当的碳负极可能导致严重的环境问题，例如资源浪费和污染。回收潜力：回收废旧碳负极是一种潜在的解决方案，不仅可以减少环境污染，还能实现资源的循环利用。图3(C, D)：HTS技术再生石墨负极。HTS技术能够有效去除石墨负极表面的有机粘合剂，这些粘合剂在电池使用过程中会降解并影响电池性能。HTS技术还可以分解固体-电解质界面（SEI）等电阻杂质，从而降低电池的内阻，提高其电化学性能。在再生过程中，HTS技术能够保持石墨的结构完整性，避免因高温处理导致的材料损坏。HTS技术能够合成具有独特结构的碳基材料（如杂化结构碳），这些材料在电化学储能中表现出优异的性能。通过调控材料的结晶度和微观结构，HTS技术为高性能电极材料的设计提供了新的思路。HTS技术为废旧石墨负极的再生提供了一种高效、环保的方法。通过去除杂质和修复结构，再生后的石墨负极可以重新用于电池制造，实现资源的循环利用。HTS技术不仅提升了碳基材料的性能，还通过回收和再生减少了电池生产对环境的影响，符合可持续发展的目标。

图4：HTS制备的碳基纳米材料在电催化分解水中的应用。

       图4(A-C)展示了高温冲击（HTS）技术在电催化材料合成中的创新应用，特别是在析氢反应（HER）和水分解领域。这些研究不仅揭示了HTS技术在材料合成中的独特优势，还为其在清洁能源领域的应用提供了强有力的支持。图4(A)：高效Mo2C/MoC/CNT催化剂的合成。通过HTS技术合成了由Mo2C、MoC和碳纳米管（CNT）组成的高效析氢反应（HER）催化剂。Mo2C和MoC具有优异的HER催化活性，而CNT提供了高导电性和机械稳定性，三者协同作用显著提升了催化剂的整体性能。这种催化剂在电催化水分解制氢中表现出高活性和稳定性，为清洁能源的开发提供了新的解决方案。图4(B)：相纯碳化钼的选择性合成。通过调整HTS合成过程中的脉冲电压，实现了相纯碳化钼（如Mo2C或MoC）的选择性合成。研究揭示了碳化钼在HER中的性能与其相态密切相关，不同相态的碳化钼表现出不同的催化活性。HTS技术的快速冷却特性使其能够合成亚稳态碳化物，这些材料在电催化中表现出更高的活性。通过相工程调控，HTS技术显著提高了碳化钼的电催化性能，为高效催化剂的设计提供了新思路。图4(C)：高熵硫化合金纳米颗粒的快速合成。在短短300毫秒内，通过HTS技术在碳布（CC）上快速合成了碳负载的高熵硫化合金纳米颗粒（CC-S-HEA）。HTS产生的热冲击将硫源热解成气态，导致碳材料中形成丰富的孔隙结构和缺陷，生成硫掺杂碳基底（CC-S）。硫原子将金属原子锚定在CC-S表面，形成高密度且均匀分布的金属颗粒。这种独特的结构和组成使CC-S-HEA在电催化水分解中表现出优异的性能，包括高活性和长寿命。HTS技术在电催化领域的潜力。HTS技术能够快速合成具有高活性和稳定性的电催化剂（如Mo2C/MoC/CNT和高熵硫化合金）。通过调控材料的相态、组成和微观结构，HTS技术为高性能催化剂的设计提供了新的途径。HTS技术的快速冷却特性使其能够合成亚稳态材料，这些材料在电催化中表现出独特的性能。通过相工程调控，HTS技术进一步优化了催化剂的活性位点和电子结构。HTS合成的催化剂在电催化水分解制氢中表现出优异的性能，为清洁能源的开发提供了技术支持。这些研究推动了电催化水分解技术的实际应用，助力实现可持续发展的能源目标。

图5：HTS制备的碳基纳米材料在电催化硝酸盐还原反应（NO₃RR）中的应用。

       图5展示了高温冲击（HTS）技术在合成纳米合金催化剂及其在电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）中的应用，进一步证明了HTS技术在电催化领域的潜力。图5：HTS合成纳米合金催化剂及其NO3RR性能。通过HTS技术，在碳纤维纸上合成了均匀分散的纳米合金催化剂。HTS的快速加热和冷却特性确保了纳米颗粒的高分散性和均匀分布，避免了传统方法中常见的团聚问题。合成的纳米合金催化剂在电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）中表现出较高的活性。均匀分散的纳米颗粒提供了丰富的活性位点，优化了反应动力学，从而提高了NO3RR的效率。NO3RR是一种重要的电化学反应，能够将硝酸盐（NO3⁻）还原为氨（NH3）或其他有价值的氮化合物，在环境治理和资源回收中具有重要意义。HTS合成的纳米合金催化剂为高效NO3RR提供了新的解决方案，展示了其在电催化领域的广泛应用前景。HTS技术能够实现纳米颗粒在碳基载体上的均匀分散，提供更多的活性位点，从而提升催化性能。HTS的快速加热和冷却特性使得催化剂合成过程高效且可控，能够精准调控材料的组成和结构。HTS合成的催化剂在NO3RR中的高效性能，为硝酸盐污染治理和氨的绿色合成提供了技术支持，符合可持续发展的目标。

图6：HTS制备的碳基纳米材料在燃料电池中的应用。

       图6展示了高温冲击（HTS）技术在合成PtRu合金纳米颗粒催化剂及其在直接燃料电池中的应用，进一步凸显了HTS技术在制备高性能电催化剂方面的独特优势。图6：HTS合成PtRu合金纳米颗粒及其催化性能。在1000°C的最佳条件下，通过直接焦耳加热超过50毫秒，在炭黑衬底上形成了均匀分散的PtRu合金纳米颗粒。HTS技术的快速加热特性使得金属前驱体能够充分分解，同时抑制纳米颗粒的过度生长。在相同的质量载荷下，HTS合成的PtRu合金纳米颗粒的尺寸远小于传统水热法合成的颗粒。均匀分散的纳米颗粒提供了更多的活性位点，优化了催化剂的性能。优化的PtRu合金纳米颗粒表现出高质量活性和良好的稳定性。在直接燃料电池中，这种催化剂显示出优异的电化学性能，包括高催化活性和长寿命。HTS技术的快速加热特性使得金属前驱体能够充分分解，同时通过调整合成参数（如温度、加热时间等）精准调控纳米颗粒的结构和尺寸。HTS合成的纳米颗粒具有高分散性和小尺寸特性，提供了丰富的活性位点，显著提升了催化剂的性能。HTS合成的PtRu合金纳米颗粒在直接燃料电池中表现出高质量活性和良好的稳定性，为燃料电池的实际应用提供了强有力的支持。

      这篇综述全面回顾了过去十年中通过HTS方法制备的各种碳基纳米材料及其在电化学领域的应用，强调了它们的合成和优化其性能的原理。重点介绍了HTS合成碳基纳米材料在推进锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、水分解反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、硝酸盐还原反应、其他电催化反应和燃料电池方面的优势。

文章总结

       在这篇综述中，作者系统回顾了高温冲击（HTS）技术在碳基材料制备及其在电化学领域（特别是能源相关过程）中的应用，全面总结了HTS技术的科学原理、合成机制以及其在电催化、能源存储等领域的潜力。作者简要介绍了HTS技术的发展历程，从早期的焦耳热实验到现代超快加热技术的应用，展示了HTS技术的演进与创新。综述中详细描述了HTS技术的主要仪器，包括焦耳加热设备、微波加热设备和激光加热设备，这些设备能够实现超快加热和冷却。HTS技术通过高温驱动反应，结合快速加热和冷却，实现了纳米材料的高效合成。基于焦耳热效应，HTS技术能够在极短时间内（毫秒级）实现高温加热和快速冷却。通过光谱仪等设备实时监测反应温度，确保合成过程的精准控制。HTS技术通过高温（通常超1000°C）驱动反应，实现材料的快速合成。快速加热和冷却有效抑制了纳米颗粒的团聚和过度生长，从而获得超小尺寸和高比表面积的纳米材料。通过调控碳空位驱动相变，形成具有高催化活性的亚稳相。设计碳材料中的缺陷结构，优化其作为活性中心的功能。通过掺杂或复合诱导不同成分之间的协同效应，提升材料性能。调整负载催化剂与碳基材之间的相互作用，进一步优化电催化性能。HTS合成的碳基材料在析氢反应（HER）、氧还原反应（ORR）、二氧化碳还原反应（CO2RR）、硝酸盐还原反应（NO3RR）等电催化反应中表现出优异的性能。在锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池等能源存储器件中，HTS合成的碳基材料显著提升了电极的性能。HTS技术合成的合金纳米颗粒（如PtRu）在直接燃料电池中表现出高质量活性和稳定性。

       通讯作者：兰司，2012年博士毕业于香港中文大学材料科学与工程专业，现任南京理工大学材料学院副院长、教授、博士生导师、纳米材料与技术专业（微纳芯片加工）国际实验班负责人、江苏省先进纳米结构与功能材料高校重点实验室主任、国家级国合基地副主任，入选国家高层次人才计划、国家基金委优青、国家重点研发计划青年科学家、江苏省杰青、江苏省青蓝工程优秀教学团队带头人、江苏省333中青年学术带头人、江苏省六大人才高峰等称号。担任中国金属学会非晶合金分会委员、中国散裂中子源用户委员会成员及函评专家、日本中子源J-PARC函评专家，国际科学组织VEBLEO会士，国际期刊cMat副主编、稀有金属（中、英文）编委、JMST、MRL、金属学报等国际期刊青年编委。荣获2021年中国十大新锐科技人物、2022年教育部高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学）二等奖、2022年江苏省行业领域十大科技进展、江苏省材料学会科学技术特等奖、2023年中国国际大学生创新大赛金奖指导教师、2024年江苏省微课教学大赛一等奖等奖项，入选2024全球前2%顶尖科学家榜单。

      长期从事先进亚稳态合金材料、微纳构筑与性能调控、中子与同步辐射原位散射等研究，主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金优秀青年、面上项目、国际合作项目、江苏省自然基金杰出青年基金项目等多项课题。在Nature Materials、Nature Catalysis、Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Physical Review Letters等顶级SCI期刊发表学术论文百余篇，申请国家发明专利34项，授权12项。主编、参编、主审规划教材多部。作为大会主席联合组织国际知名的戈登研讨会（Gordon Research Seminar, GRS）中子散射研讨会并于GRC会议上多次作邀请报告。

       第一作者：南京理工大学硕士研究生，导师朱贺、兰司教授。主要从事亚稳态高熵合金材料的开发、微观结构控制和电催化机理的研究。她的研究兴趣是使用同步辐射和像差校正电子显微镜等表征方法探索所开发材料的结构和电催化性能之间的相关性，以揭示高熵合金的亚稳态结构和性能之间的关系。

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