毫秒级 3000℃“点草成金”！南京师范大学王新叶团队：小麦秸秆变身石墨烯，水泥抗压强度提升 32.75%

论文信息

题目：Preparation of Flash Graphene from Wheat Straw and Its Application to Cementitious Composites

期刊：Journal of Materials Engineering and Performance

DOI：https://doi.org/10.1007/s11665?026?15271?2

01
研究背景

水泥基材料是基建工程用量最大的建筑材料，但水泥生产过程碳排放高，同时传统砂浆普遍存在韧性不足、内部孔隙微裂纹多的短板。石墨烯凭借优异力学性能，是极具潜力的水泥增强纳米填料，但传统石墨剥离制备石墨烯工艺流程复杂、药剂消耗大、生产成本居高不下，限制其在土木工程领域大规模落地。闪焦耳加热技术可在毫秒级高温下把含碳原料快速转化石墨烯，为利用农林固废制备功能碳材料开辟新路径；我国每年产生巨量小麦秸秆，大多就地焚烧或简单废弃，资源化高值转化的需求十分迫切，如何以农业废弃物为原料制备高品质石墨烯，并实现对水泥基复合材料的高效改性，成为兼顾固废资源化与建筑材料低碳升级的现实科学问题。南京师范大学王昕晔团队在《Journal of Materials Engineering and Performance》上发表题为“Preparation of Flash Graphene from Wheat Straw and Its Application to Cementitious Composites”的相关研究成果。

02
成果简介

该研究旨在打通小麦秸秆固废高值利用与低碳建筑材料改性的链路，将小麦秸秆预碳化后采用闪焦耳加热工艺制备秸秆基闪石墨烯，系统探究放电电压、放电时长对于石墨烯缺陷、层数与品质的影响；将最优条件得到的涡轮堆叠闪石墨烯作为改性填料掺入水泥砂浆，开展力学测试、微观形貌、孔结构分析；150?V?0.2?s制备的闪石墨烯在0.15?wt.%掺量下，可将砂浆28天抗折、抗压强度分别提升21.21%、32.75%；材料凭借特殊涡轮堆叠结构起到裂纹桥接、孔隙填充、异相成核作用，为农林废弃物制备石墨烯以及水泥低碳增强提供可落地的工艺方案。

03
图文解析

图1 闪焦耳加热实验装置示意图

图1a为整套闪焦耳加热反应系统，包含真空腔体、真空泵、温控探头、电源控制柜；图1b展示石英反应管内部组装结构，碳前驱体粉末装填在两片石墨插头之间，两端铜电极施加脉冲放电；图1c是放电瞬间腔内闪光实拍照片。系统依靠电容放电毫秒级释放巨大焦耳热，瞬间升温3000?K以上，将预碳化小麦秸秆快速转化石墨烯，可通过调整放电电压征峰，依靠I_D/I_G、I₂/I_G比值评价缺陷程度与石墨烯层数，150?V?0.2?s条件的WS?FG?150?0.2拥有最优的品质与综合产率。

图3 六组秸秆基闪石墨烯样品的拉曼洛伦兹拟合分峰谱图

图3a?f依次对应WS?FG?130?0.2、WS?FG?140?0.2、WS?FG?150?0.2、WS?FG?130?0.5、WS?FG?140?0.5、WS?FG?150?0.5的分峰拟合结果。通过对特征峰分峰拟合，精确提取各个样品的峰强比值；实验证明提高放电电压、缩短放电时长，有利于降低石墨烯缺陷，提升产物纯度。

图4 不同制备参数WS?FG样品的XRD图谱

图4中虚线代表AB堆叠石墨标准(002)衍射峰位置26.4°，所有样品衍射峰向小角度偏移，层间距大于普通石墨，峰形不对称；证明产物为涡轮堆叠(turbostratic)闪石墨烯，层间无序错位，这种结构有利于石墨烯在水泥体系中分散，不容易发生团聚。

图5 WS?FG?130?0.2与WS?FG?150?0.2扫描电镜SEM形貌

图5a?c为130V?0.2s样品，d?f为150V?0.2s样品；高电压制备样品片层结构更加完整，缺陷更少，薄片呈现大量褶皱、堆叠；涡轮堆叠石墨烯的褶皱薄片形貌，是其可以在水泥基体中分散、实现裂纹桥接的形貌基础。

图6 WS?FG?150?0.2透射电镜TEM表征、片层粒径统计

图6a?e透射电镜可见石墨烯薄片多为5?8层，存在摩尔纹，印证涡轮堆叠结构；片层横向尺寸集中10?30?nm。图6f为粒径分布统计。急冷过程阻止石墨有序堆叠，形成层间距更大的少层石墨烯，该微观结构对水泥改性至关重要。

图7 不同电压条件制备石墨烯改性砂浆3d/7d/28d力学性能柱状图

图7a?c抗折强度，d?f抗压强度。对比130?V、140?V、150?V三组样品，同等掺量下150?V制备石墨烯增强效果最优；随着石墨烯掺量提升，砂浆抗折、抗压性能持续提升，0.15?wt.%掺量获得力学性能最大值。低电压合成石墨烯缺陷多，增强效果有限。

图8 不同放电时长（0.2?s与0.5?s）石墨烯改性砂浆力学性能对比

图8a?c抗折强度，d?f抗压强度。同为150?V电压，0.5?s更长放电时长得到石墨烯增强效果明显弱于0.2?s；更长放电时间促使片层趋向AB有序堆叠，在水泥基体中更容易团聚，削弱纳米增强效应，证明短脉冲放电是获得高性能闪石墨烯的关键条件。

图9 GC?150?0.2样品不同养护龄期力学性能变化

图9a抗折强度，b抗压强度。对比空白对照组，在3?d、7?d、28?d全部龄期下，掺入WS?FG?150?0.2的砂浆强度均显著提升；随养护龄期增长水化持续进行，石墨烯的填充、异相成核作用持续发挥，力学增益可以长期保持。

图10 空白对照组与GC?150?0.2砂浆SEM形貌与EDS元素面分布

图10a对照组微观结构疏松，存在明显孔隙与微裂纹；b添加秸秆闪石墨烯之后基体更加致密连续。c?d元素mapping显示改性之后Ca、Si、O等水化产物关键元素分布更加均匀；说明石墨烯提供异相成核位点，促进水泥水化产物均匀生长。

图11 压汞MIP与BJH氮气吸附孔径分布曲线

图11a压汞测试结果，bBJH脱附孔径分布。掺入WS?FG?150?0.2之后总孔隙率、中值孔径下降；大孔被填充转化为凝胶介孔，连通毛细孔减少，基体密实度提升；解释宏观力学性能提升的孔结构根源。

图12 空白组与GC?150?0.2水泥砂浆XRD物相分析

图12两组样品水化产物物相种类基本一致，没有生成新物相；氢氧化钙CH特征峰强度更高，证明石墨烯不会改变水化产物晶相类型，而是依靠表面位点加速硅酸盐矿物水化进程，提升整体水化程度。

图13 WS?FG增强水泥砂浆机理示意图

图13机理示意图：普通水泥砂浆在外力作用下内部微裂纹扩展连通，发生破坏；涡轮堆叠的秸秆基闪石墨烯均匀分散在基体内部，发挥裂纹桥接、微孔隙填充作用，同时充当异相成核点促进水化，细化孔径，抑制裂纹扩张，最终实现抗折、抗压力学性能同步提升。

04
总结展望

该研究利用闪焦耳加热技术，将农林废弃物小麦秸秆转化涡轮堆叠型闪石墨烯，证实放电电压与放电时长对石墨烯缺陷、层数、产率的关键调控作用；最优工艺150?V?0.2?s制备的WS?FG?150?0.2，在极低掺量条件下即可显著提升水泥砂浆力学强度，结合SEM、EDS、压汞、XRD揭示石墨烯通过异相成核、孔隙填充、裂纹桥接多重机制改善水泥基体微观结构。本工作打通农业秸秆固废高值化和低碳建筑材料改性的新路径，但小麦秸秆含有灰分杂质，会影响石墨烯纯度；后续还需要进一步优化原料预处理工艺，推进放大制备，开展耐久度、抗冻融等更多工程指标测试，推动秸秆基闪石墨烯真正在混凝土工程实现规模化应用。

通讯作者

王昕晔（Xinye Wang）

南京师范大学科学与工程学院教授

研究方向：

有机固废制备先进碳材料

固废中有害/有价元素分离

副产飞灰/石膏等高值热转化

重金属/碱金属高温原位吸附

工业场景富氧/纯氧燃烧改造

高盐/有机废水浸没蒸发

信息来源：科研云资讯

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