陈亚楠教授团队：微纳新能源材料超快速制备

近些年，在物理、化学、环境、生物、医学等领域的研究学者对功能化纳米材料有着广泛的关注。高温热冲击（high temperature shock，HTS）技术是由陈亚楠教授、胡良兵教授于 2016 年发明的一种超快速合成纳米材料的新方法。相比于传统合成纳米材料的方法，高温热冲击技术具有快速高效、普适性强、可工业化及应用广泛等特点。团队从发明该方法至今，已成功地合成了一系列高性能微纳米材料，包括金属和半导体纳米颗粒、合金、高熵合金、金属化合物、高熵化合物、石墨烯、陶瓷和亚稳态材料等，其相关研究工作已在国际知名期刊上发表文章近百篇，在国际上引领着超快速合成新材料方向的研究热潮。

可自制高温热冲击合成装置示意图

高温热冲击技术制备功能纳米材料

（a）微米级尺寸固态材料（金属、半导体和化合物粉末）组装成纳米颗粒的过程示意图；（b）含金属离子的盐溶液转化为纳米颗粒的过程示意图；（c）碳基纳米材料的制备过程示意图

高温热冲击技术与其他常见纳米材料合成方法的比较

（1）快速高效性。此技术具有超快的升温/冷却速率（高达 105K/s）和超短的处理时间（几毫秒）。

（2）强普适性。此技术不仅普遍适用于各种前驱体（包括金属盐溶液和微米级固态粉末），还可以广泛用于制备各种碳基功能纳米材料（如 RGO、CNF、CNT、生物质碳等）。

（3）此技术不仅可有效避免纳米材料制备过程中的表面氧化、团聚和不混溶性，还可以消除碳基纳米材料的缺陷/杂质。

（4）通过高温热冲击技术制备的功能纳米材料表现出优异的物理化学性质，如超细粒度、分布均匀、高活性、较少的缺陷/杂质，从而具有优异的电化学性能。

（5）可工业化性。例如，将高温热冲击技术与“卷对卷”合成方法相结合，可使工业中用于能量存储和转换的纳米材料的大规模生产成为可能。

近年来，已经报道了一系列利用高温热冲击技术在能源应用方面的研究工作，且其未来仍具有巨大的潜力待开发。快速高效的高温热冲击技术是一种独特而新颖的制备各种纳米材料用于能量存储与转换的方法。迄今为止，已经通过此技术合成了多种功能纳米颗粒和高质量的碳基纳米材料，并广泛应用于电池、电催化和智能设备。由于高温热冲击技术具有普适性，此方法不仅可制备合成多种纳米颗粒（包括单/混合金属合金、金属氧化物、金属硫化物、金属硒化物、金属硼化物和金属磷化物等），还可用于合成 RGO、CNF、CNT、柳枝稷、生物质碳材料和碳布等碳基纳米材料。不仅如此，此技术还可以扩展到一系列块体/温度敏感材料的制备，如陶瓷、玻璃、塑料、钢、金属有机骨架、有机物和高分子材料。非晶纳米材料由于具有各向同性、结构松散、缺陷分布等独特的性质，目前受到大量的研究关注。许多研究表明，非晶纳米材料显示出增强的锂/钠离子电池倍率性能和长循环稳定性等电化学性能。此外，无定形催化剂由于缺陷数量增加，相比于高度结晶的纳米材料具有更多的催化活性位点。通过优化高温热冲击的工艺过程（例如，使用液氮或水来调节升温/冷却速率），可以设计合成一系列高性能的非晶/非晶异质结纳米材料。正因如此，相信高温热冲击技术在将来会吸引越来越多的关注。

在应用方面，高温热冲击技术有助于电池和电催化的发展。在不同电池系统（如锂/钠/钾离子电池、锂/钠/钾金属电池、超级电容器、锂/钠/钾离子混合电容器、锂/钠/钾-硫电池）和催化系统（如 CO 氧化、CO2还原、水分解、燃料电池）中展现了巨大的应用潜力。此外，此技术也为超高温加热、热管理、热电转换、可穿戴照明设备、温度传感器、柔性电子设备和机械开关等大规模的智能应用提供了巨大的可能性。目前，人工智能已成为加速开发高性能新型材料的有效工具，而快速高效的高温热冲击技术可以实现多种纳米材料的高通量合成。因此，将高温热冲击技术与人工智能相结合来合成并识别性能最佳的纳米材料是一个充满希望的应用前景。除了上述方面，值得提出的是高温热冲击合成装置反应室中的加热器是不可或缺的重要组成器件。除了最广泛使用的独立式导电碳基板作为加热器外，最近还开发了几种用于高温热冲击加热装置的加热器。例如，两个铜电极之间的石英管圆柱形加热器，以及两个高柔性碳带夹层状加热器。为实现不同功能材料的快速制备，还应致力于设计具有各种特征的创新自制加热器。

（1）高温热冲击技术合成纳米材料的主要挑战在于对其形貌和结构的精确控制。利用此技术制备的纳米材料普遍呈现纳米尺寸的实心球体形貌，缺乏空心、核壳、蛋黄壳和多壳结构等复杂的分层结构，限制了其在储能领域性能的进一步提高。在此，合理设计高温热冲击工艺（例如改变外部环境、使用添加剂和二次处理）被认为可诱导合成具有明确尺寸、形态、结构和晶相的功能性纳米材料。

（2）在增加纳米材料的质量负载方面仍然存在挑战。高质量负载的活性纳米结构电极对于能量存储和转换装置的实际应用具有重要意义。虽然高温热冲击技术合成的纳米材料具有自支撑结构，但它可能会在增加质量负载方面存在一定的困难。因此，通过微调高温热冲击工艺的前驱体类别与参数，以及设计可以直接处理前驱体而无须独立导电碳基质的自制加热器，可以进一步改善功能纳米材料的质量负载。

（3）研究高温热冲击的行为机制是一个巨大的挑战。因为超短的处理时间使得观察纳米材料的形成过程非常困难。但是，原位表征技术和理论研究的发展将有利于理解形成机制。

总之，快速高效、绿色、低成本的新型高温热冲击技术具有巨大的应用潜力，特别是在合理设计和制备多种功能纳米材料方面发挥着重要作用。可以预见，高温热冲击技术在能量存储与转换、碳材料以及新器件等方面具有广泛的应用和广阔的前景，并将为开发下一代能源相关设备提供新的机遇。

本书共分为 5 章，将系统地介绍微纳新能源材料超快速制备技术原理、发展历程、研究现状、科学问题以及应用场景等。第 1 章主要介绍高温热冲击技术的原理、生长机制及特点。第 2 章至第 5 章系统详述高温热冲击技术在能源存储与转换、碳材料以及新器件等方面的广泛应用，同时也包括材料设计、制造以及性能评估。

陈亚楠，天津大学 “英才计划”特聘研究员，博士生导师，清华大学“卓越学者”，中国科协青年人才托举工程项目入选者。主要从事新材料制备及其在新能源领域的应用，研究兴趣包括：纳米材料超快速制造（纳米制造）、能源存储（锂/钠离子电池）、能源转换（绿氢及燃料电池）以及人工智能与交叉科学方向。现已在Nature Energy、Nature Communications、Science Advances等高影响力期刊发表研究论文90余篇，论文引用6000余次。申请美国专利4项，国内专利10余项，专利转化2项。承担国防科技173计划、国家自然科学基金重大研究计划等多项课题。担任中国材料研究学会副秘书长，副主任；中国科技期刊卓越行动计划SCI期刊Progress in Natural Science：Materials International副主编。中国自主科技传播平台“科研云”主要发起人。

（本期编辑：王芳）