纳米材料的可控合成是纳米技术发展的关键。快速焦耳加热法（RJH）作为一种新兴的高能量效率合成技术，凭借其超高温（>3000 °C）和极快的升降温速率（>10³ °C s^-1），能够实现常规方法难以完成的反应，并形成具有特定尺寸和物相的产物。目前，RJH已广泛应用于石墨烯、金属纳米晶体、高熵合金等材料的合成，但产物多为零维、二维或三维结构。尽管已有研究尝试利用RJH制备一维纳米结构，但在形貌与结构调控方面仍面临挑战，核心在于难以在RJH的非平衡极端条件与一维结构所需的精细生长动力学之间取得平衡。此外，非催化的RJH工艺也难以实现高质量、层数与尺寸可控的二维材料合成。因此，提升RJH对产物形貌与结构的精确调控能力，是其进一步发展的关键。相比之下，传统高温合成方法（如化学气相沉积）常借助金属催化剂，通过气-液-固生长机制有效引导一维结构的形成与调控。

引入催化VLS机制至焦耳加热过程：首次将金属催化剂引入RJH过程，结合VLS生长机制，实现了对一维纳米材料（如纳米线、碳纳米管）直径和形貌的精确调控。在远高于传统VLS温度（>2500°C）下仍能维持VLS机制的有效性。

在极端非平衡条件下验证并强化VLS生长机制：在RJH的极高温（>2500°C）和超快升温速率（>10³ °C/s）下，验证了VLS机制仍能主导一维材料的生长。这种非平衡条件抑制了催化剂颗粒的聚集和奥斯特瓦尔德熟化，使得纳米线直径更小、分布更窄，且与反应温度解耦，仅由催化剂负载量控制。

广泛的材料适用性：成功合成了多种一维材料，包括碳化物纳米线（SiC、B₄C），II–VI/III–V族半导体纳米线（ZnO、GaP），高熵碳化物纳米线（HEC），多壁和单壁碳纳米管（MWCNTs、SWCNTs）。

实现高效、可扩展、低能耗的合成工艺：将合成时间从传统方法的数小时缩短至秒级，能耗降低至~50 kJ/g，约为传统炉式方法的1.5%。成功将合成规模放大至10克级，并展示了良好的工艺一致性和产物均匀性。

图1.SiC纳米线的快速合成和表征

图2.远离平衡RJH条件下VLS生长机制的证据

图3.采用RJH-VLS方法合成的B₄C、ZnO和GaP纳米线

图4.采用RJH方法合成的高熵纳米线

图5.RJH方法在合成碳纳米管中的应用

图6.SiC纳米线快速合成的规模化

这项研究利用金属催化剂实现气液固（VLS）途径，建立了催化反应式快速生长（RJH）方法，并将其作为一种强大的超快合成结构可控一维纳米材料的方法，有效弥合了极端热条件与精确纳米结构工程之间的关键鸿沟。展示了碳化物纳米线（包括高熵碳纳米线）、II-VI/III-V族半导体纳米线、多壁碳纳米管（MWCNT）和单壁碳纳米管（SWCNT）的合成，证明了该方法的广泛适用性。催化RJH将VLS机制在纳米材料合成中的应用范围扩展到秒级时间尺度和2500℃以上的温度范围。超快的动力学特性使得纳米线直径可控的生长以及多元素纳米线的合成能够克服热力学限制。该催化RJH-VLS策略已证明可放大至10克级规模，与传统方法相比，其能耗和时间消耗均降低了两个数量级。这项工作不仅拓展了人们对远离平衡条件下VLS生长机制的理解，而且为低成本制备能源和电子技术所需的高级一维纳米材料开辟了一条途径。展望未来，催化RJH策略或许还能应用于一维以外纳米材料的合成，例如高质量的二维材料，预期这种催化RJH策略在制备各种纳米材料及其实验室规模化生产方面展现出巨大的潜力，从而为纳米制造开辟新的途径。