南京师大：小麦秸秆3000℃秒变石墨烯，水泥抗压提升32.75%

2026年10月12日，南京师范大学王昕晔团队在《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊上发表题为"Preparation of Flash Graphene from Wheat Straw and Its Application to Cementitious Composites"的研究论文。该研究针对传统石墨烯制备工艺复杂、成本高，难以在水泥基材料中规模化应用，以及农业废弃物小麦秸秆利用率低的双重痛点，提出以小麦秸秆为碳源、经闪蒸焦耳热（FJH）在毫秒级时间内"闪蒸"制备低缺陷乱层闪蒸石墨烯（WS-FG）的绿色路线，并将其掺入水泥基复合材料：在 150 V 放电电压、0.2 s 放电时间、0.15 wt.% 掺量下，28 d 抗折强度和抗压强度分别提升 21.21% 和 32.75%，为农业废弃物高值化利用与建材低碳增强提供了可行策略。

【研究背景】

1. 水泥行业急需"强身健体"又"减碳"

水泥基材料是土木工程用量最大的建筑材料，但水泥工业是全球碳排放的主要来源之一，传统材料面临性能提升与低碳发展的双重压力。

2. 石墨烯是好"钢筋"，但太贵

石墨烯凭借二维片层结构和优异力学性能，是理想的水泥基材料增强体；然而现有石墨烯多由天然石墨经剥离、氧化、还原制得，流程复杂、能耗高、成本高，难以规模化应用。

3. 闪蒸焦耳热提供新思路

FJH 技术可在毫秒级产生 2000 K 以上超高温，无需水和化学试剂即可将含碳材料快速转化为石墨烯，高效、环保且适用于生物质碳源。

4. 小麦秸秆是"沉睡的碳库"

小麦秸秆产量大、利用率低，其富碳木质纤维素结构（含碳 39.16%）使其成为制备生物质闪蒸石墨烯的理想前驱体。

【研究方法】

1. 预碳化 + 闪蒸焦耳热"两步走"制备石墨烯

小麦秸秆切段后，在氮气气氛管式炉中以 5 ℃/min 升温至 700 ℃保温 2 h 制得秸秆炭，研磨过 120 目筛；炭粉装入石英管、两端以石墨塞压实，置于真空腔体中，先以 30–50 V 预处理调节电阻至约 1.5 Ω，再由 90 mF 电容组在 130–150 V 电压、0.2–0.5 s 时间内放电"闪蒸"，瞬间升温至 3000 ℃以上。

图1：电闪蒸反应器系统示意图

2. 多尺度表征"验明正身"

采用拉曼光谱（532 nm 激光）判定石墨烯层数与缺陷程度，XRD 分析石墨化程度与层间结构，SEM 观察片层形貌，HRTEM 在 200 kV 下解析层数与层间距，判定产物是否为乱层闪蒸石墨烯（tFG）。

3. 水泥砂浆制备与全龄期强度测试

以 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥、ISO 标准砂、水灰比 0.5 制备砂浆，WS-FG 以 1 wt.% Pluronic F-127 水溶液超声分散 40 min 后掺入（掺量 0.02–0.15 wt.%），成型 40 mm × 40 mm × 160 mm 试件，标准养护后测试 3、7、28 d 抗折与抗压强度。

4. 微观机理表征

通过 SEM-EDS 观察基体微观形貌与元素分布，压汞法（MIP）与氮吸附分析孔结构，XRD 分析水化产物物相，揭示石墨烯的增强机理。

【研究结果】

1. 毫秒"闪蒸"成功，拉曼证实石墨烯生成

温度–时间曲线显示，样品在约 200 ms 内升至 3000 ℃以上并在数秒内快速冷却，诱导碳键重排形成石墨烯结构；6 组不同放电参数的产物均出现明显的 D、G、2D 特征峰，洛伦兹分峰拟合证实小麦秸秆炭已转化为石墨烯，且峰强比值随参数呈规律差异，说明闪蒸过程可精准调控。

图2：FJH工艺参数与产物拉曼表征

图3：WS-FG拉曼光谱洛伦兹拟合分析

2. 150 V/0.2 s 工艺制得低缺陷乱层石墨烯

该参数下产物 I_D/I_G = 0.130、I_2D/I_G = 0.682，纯度 87.8%、产率 63.2%；XRD 显示 (002) 峰移至 2θ ≈ 26.02°，平均层间距约 0.342 nm；TEM 观察到莫尔条纹与 5–8 层堆垛结构（层间距 0.369 nm），横向尺寸 10–30 nm。这种乱层结构如同一摞没对齐的纸牌，层间范德华力弱、不易团聚，更易在水泥基体中分散。

图4：不同FJH参数下WS-FG的XRD图谱

图5：WS-FG-150-0.2的TEM表征

3. 力学性能显著提升，掺量和工艺双优化

在 0.15 wt.% 掺量下，GC-150-0.2 的 28 d 抗折强度较空白组提升 21.21%（达 7.83 MPa），抗压强度提升 32.75%（达 35.99 MPa），各龄期强度均随掺量增加持续提升；而放电时间延长至 0.5 s 会促使石墨烯形成 AB 堆垛、分散性变差，28 d 抗压强度仅提升 18.50%，印证了"高电压、短时间"工艺窗口的优势。

图 6：不同放电电压制备WS-FG对水泥砂浆力学性能的影响

图 7：GC-150-0.2不同龄期与掺量下的力学性能

4. 增强机理：成核、填充、桥接"三管齐下"

SEM-EDS 显示掺入石墨烯后基体更连续致密，Ca、Si、O 分布更均匀；MIP 与氮吸附表明孔隙率由 17.4% 降至 16.1%，平均孔径由 13.1 nm 降至 8.2 nm；XRD 显示 CH 特征峰增强。这说明石墨烯以片层表面和缺陷位点为水化产物提供异质成核位点、加速水泥水化，同时纳米片层填充孔隙、桥接微裂缝。

图 8：水泥基复合材料SEM与EDS元素分布

图 9：WS-FG增强水泥基复合材料机理示意图

【展望】

1. 工艺可迁移：FJH 路线对碳源"不挑食"，有望推广至稻壳、玉米秸秆等其他农业废弃物，建立普适性制备窗口。

2. 建材低碳化前景广阔：以低成本生物质石墨烯替代昂贵的石墨烯类添加剂，为水泥行业节能减排与高性能建材开发提供可放大的技术路径。

3. 规模化与纯度仍需攻关：秸秆灰分（8.71%）会影响产物纯度，需优化原料预处理与连续化装备；高掺量下的分散稳定性也有提升空间。

4. 功能化应用值得期待：乱层结构带来的良好分散性，为石墨烯水泥基材料向抗裂、耐久乃至智能感知等多功能方向拓展埋下伏笔。

DOI：10.1007/s11665-026-15271-2

信息来源：焦耳热超快合成

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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??重磅征稿｜2026 中国国际石墨烯创新大会论文征集通知

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