級聯閃蒸焦耳熱技術，最新Nature Materials！

一、【科學背景】

近年來，為了最大限度地減少對環境的影響，化學合成領域面臨著三個主要挑戰：減少溶劑和水的使用、提高能源效率和實現工藝的可擴展性。然而，這些要求通常很難通過傳統的熱力學平衡態合成來滿足，因為許多合成過程需要高溫或長時間的反應，從幾小時到幾天不等。傳統方法在環境友好性和高效能之間的平衡存在困難，因此迫切需要發展新的合成技術。非平衡合成方法的興起為解決這些問題提供了新的思路。其中，利用超快電阻焦耳加熱的快速熱沖擊方法已成為一種前景廣闊的技術。該方法可以在幾毫秒到幾分鐘內完成反應，大大減少了能源消耗。然而，這些方法對反應物的電導率有一定要求，限制了可用試劑的范圍。為了滿足電導率要求，通常需要添加導電添加劑或基質，這可能導致產物中出現雜質，降低了產物的純度。此外，在電阻加熱過程中，揮發性硫族元素（如S和Se）的引入十分困難，限制了這些元素在材料中的應用。

二、【創新成果】

近日，萊斯大學James Tour教授和Yimo Han教授團隊在Nature Materials上發表了題為“Flash-within-flash synthesis of gram-scale solid-state materials”的論文，本文提出了一種級聯閃蒸焦耳加熱（FWF）技術，這是一種非平衡、超快的熱傳導方法，可在常溫下、短于5秒內制備多種金屬硫化物材料。與其他合成方法相比，FWF在易于克規模生產和可持續制造標準上具有顯著優勢。此外，FWF在原子置換和摻雜方面的能力進一步突顯了其作為通用體相無機材料合成方法的多樣性。

圖1 FWF技術的工作原理 ?? 2024 Springer Nature

圖2 FWF技術在克級制備中的應用及其全面的生命周期評估 ?? 2024 Springer Nature

圖3 基于FWF技術的各種反應及其產物 ?? 2024 Springer Nature

圖4 FWF技術產物的電學特性表征 ?? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

該項成果有助于推動無機材料生產技術的發展，解決傳統熱力學平衡合成方法的局限性，實現了更快的反應速率，并顯著減少了對溶劑、水和能源的依賴。FWF技術提供了一種多功能、高效且可擴展的合成方案，能夠精確控制合成參數以生產相選擇性和單晶體體相粉末。這種方法在材料改性方面表現出極大的靈活性，通過摻雜技術實現了克規模的生產，為環保型的定制無機材料提供了巨大的成本節約。FWF技術的獨特優勢和靈活性為未來的無機材料合成提供了新的思路和方法，將推動該領域的進一步發展和創新。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01598-7