科技日報記者 吳長鋒

記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校工程科學學院熱科學和能源工程系夏維東教授研究團隊與合作者合作，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，由于等離子體電導率隨著溫度增加迅速上升，導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、能耗低、成本低，具備實現(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)值模擬和化學反應(yīng)動力學計算，提出石墨烯可能的形成機理，為產(chǎn)品生產(chǎn)控制提供了理論指導。

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