级联闪蒸焦耳热技术，最新Nature Materials！

一、【科学背景】

近年来，为了最大限度地减少对环境的影响，化学合成领域面临着三个主要挑战：减少溶剂和水的使用、提高能源效率和实现工艺的可扩展性。然而，这些要求通常很难通过传统的热力学平衡态合成来满足，因为许多合成过程需要高温或长时间的反应，从几小时到几天不等。传统方法在环境友好性和高效能之间的平衡存在困难，因此迫切需要发展新的合成技术。非平衡合成方法的兴起为解决这些问题提供了新的思路。其中，利用超快电阻焦耳加热的快速热冲击方法已成为一种前景广阔的技术。该方法可以在几毫秒到几分钟内完成反应，大大减少了能源消耗。然而，这些方法对反应物的电导率有一定要求，限制了可用试剂的范围。为了满足电导率要求，通常需要添加导电添加剂或基质，这可能导致产物中出现杂质，降低了产物的纯度。此外，在电阻加热过程中，挥发性硫族元素（如S和Se）的引入十分困难，限制了这些元素在材料中的应用。

二、【创新成果】

近日，莱斯大学James Tour教授和Yimo Han教授团队在Nature Materials上发表了题为“Flash-within-flash synthesis of gram-scale solid-state materials”的论文，本文提出了一种级联闪蒸焦耳加热（FWF）技术，这是一种非平衡、超快的热传导方法，可在常温下、短于5秒内制备多种金属硫化物材料。与其他合成方法相比，FWF在易于克规模生产和可持续制造标准上具有显著优势。此外，FWF在原子置换和掺杂方面的能力进一步突显了其作为通用体相无机材料合成方法的多样性。

图1 FWF技术的工作原理  © 2024 Springer Nature

图2 FWF技术在克级制备中的应用及其全面的生命周期评估  © 2024 Springer Nature

图3 基于FWF技术的各种反应及其产物  © 2024 Springer Nature

图4 FWF技术产物的电学特性表征  © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

该项成果有助于推动无机材料生产技术的发展，解决传统热力学平衡合成方法的局限性，实现了更快的反应速率，并显著减少了对溶剂、水和能源的依赖。FWF技术提供了一种多功能、高效且可扩展的合成方案，能够精确控制合成参数以生产相选择性和单晶体体相粉末。这种方法在材料改性方面表现出极大的灵活性，通过掺杂技术实现了克规模的生产，为环保型的定制无机材料提供了巨大的成本节约。FWF技术的独特优势和灵活性为未来的无机材料合成提供了新的思路和方法，将推动该领域的进一步发展和创新。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01598-7