自2020年美国莱斯大学James Tour教授在Nature（2020, 577, 647）报道了焦耳热闪蒸技术用于涡轮状石墨烯的高效制备以来，该合成技术受到研究人员高度关注。同年，分子科学研究所吕海港教授等人开发了具有自主知识产权的焦耳热闪蒸系统，实现石墨烯的规模化制备。作为一种绿色、低成本的合成方法，焦耳热闪蒸法具有瞬时高温（>3000 K）特性和快速升/降温速率（>10000 K/s），在碳材料的结构调控及规模化制备方面极具优势。

近两年，分子科学研究所青年教师朱胜及合作者，将焦耳热闪蒸技术用于一系列碳纳米材料的制备及结构调控，包括氮掺杂石墨烯（ACS Materials Letters, 2022, 4, 1863）及氮掺杂碳纳米管（Small, 2023, 20, 2305406）。在此基础上，近日，研究人员基于该技术制备了零维石墨化介孔碳笼材料并研究了其储钾性能，研究以“Rapid and Up-scalable Flash Fabrication of Graphitic Carbon Nanocages for Robust Potassium Storage”为题（论文链接地址：https://doi.org/10.1002/adfm.202401548），发表在国际著名材料期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.0）。

研究人员以蒽为碳源，膨胀石墨为基底，在毫秒级范围内合成了石墨化介孔碳笼，其尺寸均匀、晶化程度高（图1）。通过改变焦耳热反应系统的参数，调控并优化了石墨化介孔碳的结构。研究发现，该材料作为钾离子电池具有优异的储能性质，和平面层状石墨负极相比，笼状结构的碳具有增强的张力应变能力，并且形成有利于离子快速输运的三维孔道结构，因而表现出优异的循环稳定性和倍率性能。研究中还采用DFT计算和原位表征技术，揭示了介孔碳笼的储钾机制。

图1. 基于焦耳热闪蒸技术制备零维石墨化介孔碳笼示意图及产物表征

上述研究为焦耳热闪蒸技术在新型碳纳米材料制备及高性能能量存储器件研究方面提供了思路，分子科学研究所王丽娜博士为论文第一作者，分子科学研究所朱胜、赵云副教授及苏州大学倪江锋教授为论文通讯作者。相关工作获得了北京大学、苏州大学的合作和支持，以及国家自然科学基金及山西省自然科学基金的资助。