通讯作者陈亚楠、朱荣涛通讯单位天津大学、中国矿业大学DOIhttps://doi.org/10.1021/acsaem.6c00828核心导读传统低温慢速热解LTSP受限于300–1000℃的温区耗时数小时至数天产气纯度低、碳排放高。本文来自天津大学与中国矿业大学提出基于闪速焦耳热的超高温闪速热解技术UHTFP——在约1秒内将含碳物料加热至逾3000℃实现双效益以烟煤为原料可获得可燃组分达94.7 vol%的高热值合成气CO₂排放较传统方法降低89.3%同时副产闪速石墨烯FG作为锂离子电池负极可逆容量达326.83 mAh/g200次循环后性能稳定为含碳固废的绿色高值化开辟全新范式。一、背景与问题热解是有机物转化为高附加值化学品的核心反应之一然而传统低温慢速热解LTSP技术长期面临三重困境其一温区局限于300–1000℃低温下大分子有机物难以彻底分解产品纯度不足其二以对流与辐射传热为主的加热方式导致升温缓慢通常需数小时至数天能耗高、碳排放大其三温度分布不均使产品质量难以稳定控制。微波辅助热解MAPT和等离子体热解PPT虽有局部改进却分别受制于无法加热非极性物质和设备成本高、反应难控制的固有缺陷。如何实现在极短时间内以极低碳代价完成含碳固废的完全热解同时同步获得高品质气体燃料与固体功能材料是推动废弃物资源化迈向绿色化工的关键科学挑战。二、论文概要本研究中天津大学陈亚楠、中国矿业大学朱荣涛联合团队提出基于闪速焦耳热FJH的超高温闪速热解技术UHTFP将煤炭、生物质和废塑料等多种含碳前驱体在约1秒内加热至逾3000℃升温速率10⁵ °C/s在非平衡态条件下驱动所有化学键同时断裂实现双效益气体产物方面无烟煤热解气H₂占比高达83.7%烟煤热解合成气可燃组分H₂COCH₄达94.7 vol%CO₂排放较LTSP降低89.3%固体副产物闪速石墨烯FG作为锂离子电池负极可逆容量达326.83 mAh/g10 C倍率下仍保持~120 mAh/g200次循环容量无明显衰减。分子动力学模拟揭示了高温非平衡态下大量自由基的形成机制——碳原子凝缩为石墨烯、杂原子碎裂为小分子气体从而从原子尺度阐明了双效益产物的生成路径。三、图文解读图1UHTFP装置与温度演化全景(a) UHTFP装置示意图(b) 光学照片温度分布演化图像(c) COMSOL电热耦合温度分布仿真(d) UHTFP与LTSP温度曲线对比图1从装置到温度演化全方位呈现了UHTFP的核心优势。装置示意图图1a展示了100 mF电容组驱动下的石英管闪速热解系统前10 ms样品中部即出现明显热点约100 ms后整体均匀受热约600 ms反应完成后迅速冷却至室温图1bCOMSOL仿真与实测高度吻合图1c。最具冲击力的是温度曲线对比图1dUHTFP在约1秒内急速攀升至3000℃以上以非平衡态完成完全热解而LTSP则需耗费数小时才能勉强升至1500℃——这一极端的时间-温度差异正是UHTFP获得更高气体产率与更纯固体产物的根本原因。图2不同热解方式下气体产物的生成规律(a) 不同化学键的热解键能(b) 管式炉LTSP气体产物随时间分布(c) 不同电压下UHTFP气体浓度(d) 气体产率(e) 各反应吉布斯自由能(f) 1秒UHTFP各电压下产物分布图2系统揭示了UHTFP在气体产物选择性上显著优于LTSP的机制。键能分析图2a表明侧链C-O和C-C键键能仅260–280 kJ/mol而芳环直连键达316–427 kJ/molLTSP低温下仅低能键断裂CH₄占比高达29.4%而UHTFP超高温使所有键同步断裂CH₄产量降低70.4%取而代之的是H₂和CO的大幅提升。随电压升高图2c/dH₂和CO产率持续增加吉布斯自由能计算图2e从热力学层面证实了高温条件下这些反应的自发性优势。最终在1秒内FG与有效气体小分子合计占质量分数的93.4%图2f液态产物几乎可忽略不计充分体现了UHTFP的双效益特征。图3闪速石墨烯FG的微观结构表征(a) 不同电压下Raman光谱(b) XRD图谱(c) 电子顺磁共振EPR(d-f) XPS分析(g) SEM形貌(h) TEM图像(i) 200V下FG层间距图3从多维度表征了以烟煤为原料所得FG的结构演化。Raman光谱图3a显示随电压升高D峰减弱、2D峰增强表明碳缺陷修复且石墨烯层数减薄XRD图3b中002衍射峰随电压升高而锐化并向高角位移证实石墨层间距收缩EPR图3c中未成对电子数减少进一步确认缺陷密度降低XPS图3d–f揭示CC含量随电压升高而增加印证了高度石墨化进程。SEM图像图3g可见表面密布气体逸出通道形成的微孔TEM图3h/i则清晰呈现石墨层状条纹层间距0.359 nm与XRD吻合这种略扩展的层间距正是FG在高倍率下保持优异锂离子脱嵌性能的结构基础。图4分子动力学模拟揭示热解微观机制(a) MD模拟温度曲线(b-d) 固、液、气相原子数随时间变化(e-f) 分子数与自由基数变化曲线(g) LTSP与UHTFP反应路径对比示意图图4借助ReaxFF反应力场分子动力学模拟在原子尺度阐明了UHTFP的双阶段热解机制。第一阶段煤大分子解聚形成液态亚稳中间产物液相原子数迅速攀升图4c第二阶段在3000 K超高温下液态中间体进一步热解与缩聚气态产物大量生成图4d固态碳凝缩为石墨烯。自由基数量-时间曲线图4e/f揭示UHTFP条件下在极短时间内产生了大量自由基使挥发性组分来不及发生二次反应即被锁定为目标产物对比之下LTSP1800 K的反应动力学极为迟缓图4a。反应路径示意图图4g直观展示了LTSP逐步键断裂慢、不彻底与UHTFP全键同步断裂快、彻底之间的本质差异。图5多元物料普适性验证与工业化展望(a) 不同物料气体浓度对比(b) 各物料气体产率(c) FG气体联合质量产率(d) UHTFP工业连续化流程示意图图5验证了UHTFP对多元碳基物料的普适性并勾勒了工业落地路径。气体浓度对比图5a表明煤炭、生物质核桃壳、咖啡渣等及废塑料PVC、橡胶等热解产气中COH₂CH₄三者合计均超75%其中无烟煤H₂浓度最高达83.7%绝对产率图5b显示烟煤H₂产率最大达13.6 mmol/g橡胶CO产率最高达12.7 mmol/g跨所有原料的FG与有效气体联合质量产率均超60 wt%图5c。工业化概念流程图图5d展示了移动床/流化床连续进料、UHTFP闪速放电、气体冷凝分离提纯及固体旋风分级的完整链条未反应粗颗粒可循环作导电添加剂实现闭环绿色操作。四、成果亮点极端热解条件约1秒升至逾3000℃升温速率10⁵ °C/s、冷却速率10³ °C/s能耗仅6.36–11.21 kJ/g远低于等离子体热解。双效益产出烟煤合成气可燃组分94.7 vol%CO₂排放降低89.3%FG负极可逆容量326.83 mAh/g10 C保持~120 mAh/g200次循环无明显衰减。普适高转化覆盖煤炭无烟煤、烟煤、褐煤、多种生物质木材、核桃壳、咖啡渣、稻壳等及废塑料PVC、橡胶等FG气体联合质量产率全部超60 wt%。机制清晰ReaxFF MD模拟揭示高温非平衡态下全键同步断裂机制——碳原子凝缩为石墨烯杂原子碎裂为CO/H₂/CH₄CH₄产量较LTSP减少70.4%。五、总结与展望本文以超高温闪速热解UHTFP技术为核心系统验证了在约1秒、逾3000℃的极端非平衡条件下实现含碳废弃物一步双收的可行性高热值合成气与高性能闪速石墨烯负极材料可同步产出CO₂排放降低89.3%能耗大幅低于等离子体热解兼具经济性与环境效益。展望未来将太阳能或风能引入焦耳热供能体系有望实现碳负排放闭环在连续化工程设计层面移动床/流化床反应器中均匀电流密度分配、电极长期耐蚀性与自动进料调控是推进工业落地的关键技术壁垒此外将UHTFP与原位催化耦合如氨/甲醇合成的下游转化可进一步延伸含碳固废向高附加值化学品转化的完整价值链为实现真正意义上的以废治废、以废产能的循环碳经济提供坚实的技术支撑。原文信息Pengfei Huang et al. A Dual-Benefit Flash Pyrolysis for Valorizing Carbonaceous Wastes into High-Calorific Syngas and Battery Anodes.Green Chemistry, 2026. DOI: 10.1039/D6GC00839A