近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系夏維東教授研究團隊與合肥碳藝科技有限公司合作，提出“利用磁分散電弧產(chǎn)生大面積均勻熱等離子體合成石墨烯”的新方法，突破了熱等離子體工藝或高能耗、或產(chǎn)品均勻性低和生產(chǎn)穩定性不足的技術(shù)瓶頸，有望實(shí)現大規模連續生產(chǎn)。
石墨烯（Graphene）具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，被認為是一種未來(lái)革命性的功能/結構材料，在能源環(huán)境、生物醫療、電子器件、化工和航空航天等多方面具有重要的應用。
采用射頻感應加熱和微波加熱等離子體制備石墨烯能耗高，難以工業(yè)化應用。熱等離子體熱解碳氫化合物合成石墨烯，由于等離子體電導率隨著(zhù)溫度增加迅速上升，導致電弧自動(dòng)收縮到很小的范圍，對于合成石墨烯要求的毫秒級反應時(shí)間，難以實(shí)現均勻加熱，產(chǎn)品均勻性差，能耗高。
課題組采用磁分散電弧產(chǎn)生大面積均勻等離子體的技術(shù)，解決了等離子體對物料快速均勻加熱問(wèn)題。所制備的石墨烯平面尺寸50-300nm，層數2-5 層，表現出良好的晶體結構和超大的比表面積，產(chǎn)品均勻性好；制備方法及設備簡(jiǎn)單，一步合成，無(wú)需還原，且無(wú)需基底、催化劑、溶液或酸，收率高約（~14%），能耗低約~0.4kW•h/g，成本低，具備實(shí)現低成本大規模連續生產(chǎn)的前景。
圖. 不同模式電弧CCD圖像與石墨烯樣品檢測結果
研究工作探究了等離子參數、原料氣體組成與納米石墨烯形態(tài)、層數及缺陷之間的關(guān)系，同時(shí)揭示了產(chǎn)生高純度石墨烯需要工藝條件。結合等離子體反應器流場(chǎng)溫度場(chǎng)的數值模擬和化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)計算，提出石墨烯可能的形成機理：低碰撞頻率的成核前驅體有利于形成片層（sheet-like）核心，并在富氫和高溫的等離子體環(huán)境中保持平面生長(cháng)。石墨烯形成機理的闡明，為產(chǎn)品生產(chǎn)控制提供了理論指導。
該研究成果近期以“Continuous synthesis of graphene nano-flakes by magnetically rotating arc at atmospheric pressure”和“The morphological transformation of carbon materials from nanospheres to graphene nanoflakes by thermal plasmas”為標題發(fā)表在《Carbon》。
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