清华大学环境学院刘建国与邓兵课题组合作开发级联闪速焦耳热技术实现沼渣增值转化为石墨烯复合材料

（通讯员 徐明月）厌氧消化沼渣的处理处置与高值化利用是实现有机废弃物可持续管理的关键挑战。近日，清华大学环境学院刘建国教授课题组与邓兵助理教授课题组合作提出了一种无溶剂两步闪速焦耳热处理新工艺，可在极短时间（1.4秒）内实现沼渣向高品质石墨烯复合材料的高效转化，展示了原位利用沼渣中的金属构建高性能氧还原催化剂的独特优势，并同步实现了全生命周期能耗与碳排放近90%的大幅降低及运营成本的显著削减。

沼气产业作为替代化石燃料、减少甲烷排放的重要负碳路径，正迎来爆发式增长。然而，沼气基础设施的快速扩张也带来了严峻的环境与资源挑战，即大量厌氧消化残余物（沼渣）的产生。沼渣主要源自畜禽粪便、秸秆、餐厨垃圾及污泥，不仅富含致病微生物和持久性有机污染物，还常伴有潜在的重金属风险。目前的处置方式主要依赖高能耗的焚烧或填埋，这不仅是人为甲烷排放的重要来源，其渗滤液更对地下水安全构成威胁。此外，碳中和转型催生了对燃料电池等能源转换技术的需求，其核心的氧还原反应（ORR）通常依赖昂贵且稀缺的铂等贵金属催化剂，而传统的非贵金属碳材料合成往往涉及复杂的化学气相沉积或多步活化，碳排放强度高。因此，现有的末端处理模式不仅加剧了次生环境风险，也未能充分挖掘废弃生物质的资源价值。

针对上述问题，刘建国和邓兵提出一种原料定制化的两步闪速焦耳热（two-step flash Joule heating, TS-FJH）策略，无需高能耗预处理，即可将多种来源的沼渣高效转化为高品质石墨烯复合材料。该方法基于闪速焦耳加热技术，首先通过低温阶段（550℃，1秒）将绝缘的生物质前体快速热解为导电生物炭，随后通过高温阶段（2300℃，0.4秒）利用脉冲电流诱导石墨烯的瞬间重构。牛粪沼渣因其内源性富铁特性，在电热过程中实现了铁颗粒在富缺陷石墨烯基体中的原位锚定，从而构建出具有优异氧还原活性的铁-石墨烯杂化材料。得益于极短的反应历程和无溶剂工艺，生命周期评估与技术经济分析表明，该技术较传统物理/化学剥离法可降低88%以上的能耗与89%以上的碳排放，运营成本削减95%。此外，该技术展现出广泛的通用性，同样适用于秸秆、污泥及餐厨沼渣的资源化利用，为农业废弃物向高附加值功能碳材料的转化提供了一条快速、低碳、经济的新路径。

沼渣可持续升级转化为石墨烯复合材料用于清洁能源催化

研究成果以“超快闪速焦耳热实现沼渣升级回收制备高品质石墨烯复合材料”（Ultrafast flash Joule heating upcycles biogas residue into high-quality graphene composite materials for clean energy catalysis）为题，于1月16日发表于《一个地球》（One Earth）。

清华大学环境学院教授刘建国和助理教授邓兵为论文通讯作者，环境学院2023级博士生徐明月为论文第一作者。论文共同作者包括探微书院2022级本科生王腾；环境学院2025级博士生任振宇、冯尔康，2023级博士生钟家强，2024级硕士生毕皓，博士后徐兴坤；东北大学冶金学院2021级博士生郑瑞立；青岛市生态环境局西海岸新区分局赵蕾，中国科学院过程工程研究所副研究员钱国余。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.oneear.2025.101557

供稿：环境学院

编辑：李华山

审核：郭玲