科技日?qǐng)?bào)記者 吳長鋒

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系夏維東教授研究團(tuán)隊(duì)與合作者合作，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(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。該研究成果日前發(fā)表在《碳》雜志上。

石墨烯被認(rèn)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?xì)浠衔锖铣墒?，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(dòng)收縮到很小的范圍，對(duì)于合成石墨烯要求的毫秒級(jí)反應(yīng)時(shí)間，難以實(shí)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(duì)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、能耗低、成本低，具備實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的前景。

該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(shí)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(chǎng)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，提出石墨烯可能的形成機(jī)理，為產(chǎn)品生產(chǎn)控制提供了理論指導(dǎo)。

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