通讯作者：邓兵、刘建国

通讯单位：清华大学

DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c00603

研究背景

稀土元素（REEs）是清洁能源技术与电子器件不可或缺的核心原料，然而传统提取方式依赖能耗高、排放大的采矿与强酸浸出流程，带来严峻的环境负担。利用稀土超积累植物（如芒萁Dicranopteris linearis和乌毛蕨Blechnum orientale）天然富集稀土的能力，将植物生物质直接转化为高附加值催化材料，是实现绿色稀土资源化的新兴路径。

论文概要

本文由清华大学邓兵、刘建国等研究团队在Environmental Science & Technology发表，提出了一种植物源自导电闪蒸焦耳热（PSC-FJH）策略，可在数秒内将稀土超积累植物生物质直接转化为 CeO₂-石墨烯电催化剂，无需任何外加导电添加剂或高能耗预处理。该策略分两步执行：首先以低温 FJH（LT-FJH，600°C/1.4 s）将生物质热解为电阻率低至 0.052 Ω·m 的导电生物炭，赋予其自导电属性；随后高温 FJH（HT-FJH，2600°C/0.4 s）在毫秒级时间尺度上同步完成碳的石墨化（形成少层石墨烯）和内源性 Ce 的原位氧化（生成均匀锚固于石墨烯基体的 CeO₂纳米颗粒）。所得 CeO₂-石墨烯在 0.1 M KOH 中展现出超越商业炭黑的氧还原反应（ORR）活性，全生命周期评估显示 CO₂当量排放减少 28.4–72.7%、成本降低 32.1–72.7%，能耗节约逾 70%。

图文解读

图1.PSC-FJH 工艺流程示意图

图 1 系统展示了 PSC-FJH 的整体技术路线：天然非导电的稀土超积累植物（BO 和 DL）经 LT-FJH（32 V/150 A，600°C，1.4 s）转化为导电生物炭，随后 HT-FJH（80 V/250 A，2600°C，0.4 s）将生物炭一步转化为 CeO₂-石墨烯复合材料。该 CeO₂-石墨烯可直接应用于 ORR 电催化，支撑燃料电池和氢能等清洁能源场景，构建了从植物原料到功能催化剂的完整绿色转化链。

图2.BO 生物质低温 FJH 转化与生物炭表征

XRF 分析显示 BO 叶片中 CeO₂含量约为 0.76 wt%，LT-FJH 过程中实时温度在 1.4 s 内迅速升至 ~600°C，将植物纤维素基体热解为富含缺陷的导电生物炭（拉曼 I_D/I_G = 1.4）。所得生物炭 BET 比表面积高达 252.5 m² g⁻¹，电阻率仅 0.052 Ω·m，较传统热解炭（0.468 Ω·m）低近一个数量级，确保无需外加导电添加剂即可直接用于后续 HT-FJH 步骤。

图3.高温 FJH 石墨烯与 CeO₂纳米颗粒结构表征

HT-FJH（2600°C，0.4 s）将导电生物炭中的无定形碳重结晶为少层石墨烯，同时内源性 Ce 物种在超高温下原位氧化，形成均匀分散并牢固锚固于石墨烯基体的 CeO₂纳米颗粒。TEM/SAED 及 XPS 分析证实了 CeO₂的萤石结构及 Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的共存，构成了后续 ORR 优异活性的结构基础。

图4. CeO₂-石墨烯 ORR 电化学性能

在 0.1 M KOH 碱性电解质中，CeO₂-石墨烯的 ORR 起始电位、半波电位及极限扩散电流密度均优于商业炭黑（Ketjenblack），并展现出更高的 4 电子选择性与更强的抗甲醇毒化能力。长时间计时电流测试表明材料具备良好的电化学耐久性，体现了 CeO₂与石墨烯协同作用对 ORR 动力学的显著促进。

图5.DFT 计算揭示 CeO₂-石墨烯界面催化机制

密度泛函理论（DFT）计算表明，CeO₂-石墨烯界面处的电子相互作用显著降低了 ORR 速率决定步骤（*OOH 吸附）的能垒，优于纯石墨烯或单独 CeO₂体系。Ce 的 4f 轨道与石墨烯 π 体系的杂化调控了关键中间体的吸附自由能，从理论层面阐明了该复合材料超越商业炭黑 ORR 活性的内在原因。

图6.DL 植物验证与全生命周期评估（LCA）

以芒萁（DL）为原料重复 PSC-FJH 流程，同样获得了性能相当的 CeO₂-石墨烯催化剂，证明该策略对不同稀土超积累植物物种具有普适性。全生命周期评估（LCA）显示，相比传统石墨化工艺，PSC-FJH 可减少 28.4–72.7% 的 CO₂当量排放和 32.1–72.7% 的生产成本，能耗节约超过 70%，彰显了该技术兼顾高性能与低环境代价的突出优势。

总结展望

本研究将植物采矿（phytomining）与超快碳转化技术有机融合，通过 PSC-FJH 两步焦耳热策略，首次实现了稀土超积累植物生物质在无任何外加导电剂的前提下秒级转化为高性能 CeO₂-石墨烯电催化剂，为 REE 资源绿色化利用开辟了全新范式。未来随着闪蒸焦耳热装置的规模化与植物种类库的扩展，该路线有望推广至更多类型的富金属超积累植物，结合太阳能等可再生能源驱动，进一步压低生命周期碳排放，朝向真正意义上的碳中性稀土材料制造迈进。

引用信息：
Mingyue Xu, Bing Deng*, Erkang Feng, et al. "Phytogenic Self-Conducting Flash Joule Heating Converts Rare-Earth Hyperaccumulator Biomass into Graphene Composites with Minimized Life-Cycle Impacts."Environmental Science & Technology, 2026.

DOI: 10.1021/acs.est.6c00603