近日，北京大学李彦教授团队提出了一种创新的催化焦耳加热生长策略，将VLS生长机制的高度可控性与焦耳加热过程的超快动力学特性相结合，成功实现了在秒级时间内完成结构可控的一维纳米材料合成。2025年11月12日，相关研究成果以“Catalytic Joule heating synthesis of one-dimensional nanomaterials in seconds”为题，发表在Nature Synthesis期刊上。
一维纳米材料（如纳米线与碳纳米管）在电子、光电子、能源以及复合材料等领域具有广泛应用。其可控合成是纳米材料领域持续研究二十余年的经典课题。在众多合成策略中，气-液-固（VLS）生长机制被公认为一种成熟的合成路径。该机制通常依赖熔融态纳米催化剂，促使气态前驱体发生反应并溶解，随后产物成核并沿一维方向生长。然而，传统VLS过程通常在“近平衡态”条件下进行——缓慢的升降温速率易导致金属催化剂颗粒发生熟化与团聚，从而造成纳米线直径不均与形貌失控。
北京大学李彦教授团队提出了一种创新的催化焦耳加热生长策略，将VLS生长机制的高度可控性与焦耳加热过程的超快动力学特性相结合，成功实现了在秒级时间内完成结构可控的一维纳米材料合成。该策略将纳米催化剂引入超快焦耳加热过程，证实了VLS催化机制在极端焦耳热条件下仍具可行性。基于该方法，研究团队实现了难熔碳化物、II–VI族与III–V族化合物、以及单壁与多壁碳纳米管等多种一维纳米材料的秒级可控合成，其合成时间与能耗较传统方法降低了2–3个数量级。此外，焦耳热所带来的远离平衡态的反应条件不仅增强了催化剂对一维产物形貌的选择性与直径控制能力，还可借助超高温度与超快动力学同步还原多种金属氧化物，实现新型高熵碳化物纳米线快速合成。
图1：催化RJH反应器设计与SiC纳米线合成示例。a. RJH反应器示意图，通过焦耳加热前驱体粉末（反应物与催化剂）制备一维纳米材料。b. RJH-VLS与传统Furnace-VLS的反应速率对比示意图。RJH将反应温度推入VLS可发生的极限温度，提升反应速率。c. 所合成的SiC纳米线SEM图像，呈现出高长径比与均一形貌。d. XRD显示通电时间从10秒增至30秒，SiO2物相逐渐消失，SiC物相同步生成并增强。e. 在较低催化剂负载下合成的细SiC纳米线SEM图像，纳米线顶端亮斑是金属催化剂颗粒。f. SiC纳米线的HRTEM图像，显示其沿[111]方向生长。
图2：远离平衡条件下VLS生长机制。a. 不同催化剂浓度下合成的SiC纳米线直径分布。b, c. STEM及元素分布图、HRTEM图清晰显示催化剂颗粒位于纳米线顶端。d. 根据克劳修斯-克拉佩龙方程计算的不同气压下Co、Ni催化剂的沸点。液态催化剂的存在是纳米线生长的必要条件。e. 在同一催化剂负载量下，SiC纳米线直径分布在一定温度区间内（1900-2500°C）基本保持不变。表明在超快加热条件下，纳米线直径与反应温度解耦，仅由催化剂负载量决定，凸显了RJH超快动力学对催化剂团聚的有效抑制。f. RJH-VLS与Furnace-VLS生长过程的示意图对比。传统Furnace-VLS过程升温缓慢，催化剂颗粒在到达反应温度前已有充足时间发生奥斯特瓦尔德熟化和团聚，导致最终纳米线直径分布宽、可控性差。而RJH-VLS过程具备超高加热速率，反应体系瞬间达到VLS生长温度，这动力学上抑制了催化剂在升温过程中的迁移和团聚。同时，超高温条件显著提升反应速率，提高产物一维形貌选择性。
图3：RJH-VLS方法的普适性展示。合成的B4C、ZnO、GaP等多种一维纳米线的XRD、SEM、HRTEM及元素分布图。所有纳米线顶端均观察到催化剂颗粒，证明RJH-VLS方法在不同材料体系中的广泛适用性。
图4：超快合成高熵碳化物纳米线。a.吉布斯自由能计算显示，不同金属氧化物的碳热还原反应平衡温度跨度大。在传统慢速加热中，这种差异会导致元素先后还原、发生相分离。b-c. XRD图谱与SEM图像证实，利用RJH在约2050°C下合成了单相立方结构的高熵碳化物纳米线。d-e. HRTEM图像显示纳米线具有良好的结晶性。STEM及元素面分布图清晰显示不同元素在单根纳米线内均匀分布，无元素偏析。f.通过改变前驱体中金属的比例，可调节最终纳米线中的元素含量。
图5：超快合成碳纳米管。a. 使用聚乙烯作为碳源生长CNT过程示意图。b-e. 多壁碳纳米管的SEM、TEM图像和拉曼光谱，显示出优异的石墨化结构。f. 通过调节CoMo催化剂负载量，可实现MWCNT直径从8.8 nm到5.3 nm的调控。g-i. 单壁碳纳米管的TEM图像、具有径向呼吸模特征的拉曼光谱及窄直径分布（1.8 ± 0.3 nm），证明了该方法合成小直径、高质量单壁碳纳米管的能力。
图6：放大合成与能效评估。a. 放大反应器示意图，具备弹性电极设计。b. 在单批次15克的放大合成中，所得SiC纳米线的直径分布。与少量合成的结果高度一致，证明了该工艺规模放大能力与一致性。c-d. 与传统炉式方法相比，RJH-VLS策略将能耗降低约两个数量级，同时将反应时间从数小时缩短至数十秒。
总结与展望
该研究工作将VLS这一经典生长理论拓展到了超高温、超快时间尺度，不仅拓展了对远离平衡条件下VLS生长机制的基本理解，更提供了一种节能、快速且可规模化的一维材料合成解决方案。未来，这种催化RJH-VLS策略有望成为合成各类一维乃至二维先进纳米材料的通用技术，为电子、能源、催化技术提供关键材料支撑。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00933-1
