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(wěn)定性不足的技術(shù)瓶頸，有望實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。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》。
石墨烯（Graphene）具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，被認為是一種未來革命性的功能/結(jié)構(gòu)材料，在能源環(huán)境、生物醫(yī)療、電子器件、化工和航空航天等多方面具有重要的應(yīng)用。采用射頻感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)率隨著溫度增加迅速上升，導(dǎo)致電弧自動收縮到很小的范圍，對于合成石墨烯要求的毫秒級反應(yīng)時間，難以實現(xiàn)均勻加熱，產(chǎn)品均勻性差，能耗高。采用課題組研制的磁分散電弧產(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題。所制備的石墨烯平面尺寸50-300nm，層數(shù)2-5 層，表現(xiàn)出良好的晶體結(jié)構(gòu)和超大的比表面積，產(chǎn)品均勻性好；制備方法及設(shè)備簡單，一步合成，無需還原，且無需基底、催化劑、溶液或酸，收率高約（~14%），能耗低約~0.4kW·h/g，成本低，具備實現(xiàn)低成本大規(guī)模連續(xù)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(jié)果
研究工作探究了等離子參數(shù)、原料氣體組成與納米石墨烯形態(tài)、層數(shù)及缺陷之間的關(guān)系，同時揭示了產(chǎn)生高純度石墨烯需要工藝條件。結(jié)合等離子體反應(yīng)器流場溫度場的數(shù)值模擬和化學(xué)反應(yīng)動力學(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(qū)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。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(dǎo)。
團隊王城特聘副研究員和博士生陳仙輝分別為兩篇論文的第一作者，夏維東教授為兩篇論文的通訊作者，王城特聘副研究員和葉桃紅副教授分別為兩篇論文共同通訊作者。本項目獲得國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院儀器專項基金和合肥碳藝科技有限公司的資助。
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