beat3652025年1月17日電 閃速焦耳熱技術是近年來被廣泛研究的新型直接電熱技術，具有寬控溫範圍、超快處理、高能效、低碳排放等特點。近日，beat365鄧兵課題組系統評述了閃速焦耳熱技術的原理、設備、規模化進展，以及在廢物增值利用、環境污染修複、固相材料制備等領域的廣泛應用，對典型應用進行了定量的生命周期分析和技術經濟分析，并探讨了未來發展方向。

熱處理是衆多工業生産的基本過程。目前，絕大部分工業加熱都依賴于化石能源燃燒，理論上，這些過程都可以被基于電力的加熱過程所取代，這也成為工業電氣化（Industrial Electrification）的重要組成部分。電加熱方法涵蓋了一系列技術，例如電阻加熱、電弧加熱、感應加熱和微波加熱等。這些方法在能源效率、溫度範圍和加熱速度等方面各有不同。

2020年，研究人員首次提出了閃速焦耳加熱（Flash Joule heating）這種全新的直接電阻加熱形式，其原理是通過對目标物料施加高功率、短時電脈沖，使熱量直接在材料内部快速生成，而無需通過加熱介質進行熱傳遞，具有極高的能源利用效率（電能轉化為熱能的效率可達到接近100%）。與其他熱處理方法相比，閃速焦耳熱技術在高效率、超快處理、高能效、低碳排放等方面表現出顯著優勢。beat365助理教授鄧兵首創了閃速焦耳熱技術在固體廢物資源化利用和環境污染修複等領域的應用，基于閃速焦耳熱技術開發了戰略關鍵金屬短流程選擇性分離回收、固體廢物升級轉化制備高價值功能材料、危險固廢和污染土壤快速修複等一系列新原理方法，并進行了規模化應用驗證。

圖1. 閃速焦耳熱技術的發展、設備、反應器和加熱特征曲線

鄧兵等在文章中系統闡述了閃速焦耳熱技術的原理、設備、規模放大，以及在廢物增值利用、環境污染修複、固相材料制備等領域的廣泛應用前景。首先，文章詳細闡述了閃速焦耳熱技術的基本原理，電力系統設計，反應器設計，以及規模放大過程；其次，文章介紹了閃速焦耳熱技術在材料制備領域的應用，尤其是石墨烯、碳納米管等高質量碳材料的制備，以及無機固相材料合成和相态控制；随後，文章詳述了閃速焦耳熱技術在資源回收和廢物增值利用領域的應用，包括戰略關鍵金屬分離、電池回收、無機固廢增值利用，以及富碳固廢（塑料和生物質）增值轉化制備功能碳材料的應用；進一步地，文章讨論了閃速焦耳熱技術在環境污染修複領域的應用，包括土壤污染修複和PFAS等新污染物降解等；最後，文章對閃速焦耳熱技術的典型應用進行了技術經濟分析和生命周期分析，證明了其在降低能耗和碳排放，節約過程成本的顯著優勢。作為一種清潔、高效的熱處理技術，閃速焦耳熱已成為固廢資源化利用、污染修複、材料低成本制備等領域的科技熱點和學科增長點。

圖2. 閃速焦耳熱技術在金屬循環回收、污染修複、固廢升級利用等領域的應用

1月15日，相關成果以“閃速焦耳熱用于材料制備、廢物升級利用及環境修複”（Flash Joule heating for synthesis, upcycling and remediation）為題，發表于《自然綜述·清潔技術》（Nature Reviews Clean Technology）。該期刊為Nature出版社旗下2025年1月開始發行的最新期刊，緻力于報道清潔技術和可持續領域的重要進展。

beat365助理教授、特别研究員鄧兵為該論文的第一作者，鄧兵和美國國家工程院院士、萊斯大學教授詹姆斯·圖爾（James M. Tour）為該論文的共同通訊作者。其他主要合作者包括萊斯大學博士生盧卡斯·艾迪（Lucas Eddy），美國斯倫貝謝公司研究科學家凱文·懷斯（Kevin Wyss），印度理工學院副教授錢德拉·塞卡爾·蒂瓦裡（Chandra Sekhar Tiwary）等。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和beat365科研啟動經費等的基金支持。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1038/s44359-024-00002-4