等離子體宏觀制備石墨烯取得突破性進展

中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系教授夏維東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、或產品均勻性低和生產穩定性不足的技術瓶頸,有望實現大規模連續生產。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 為標題發表于Carbon。

石墨烯(Graphene)具有優異的光學、電學、力學特性,被認為是一種未來革命性的功能/結構材料,在能源環境、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時間,難以實現均勻加熱,產品均勻性差,能耗高。采用課題組研制的磁分散電弧產生大面積均勻等離子體的技術,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2-5 層,表現出良好的晶體結構和超大的比表面積,產品均勻性好;制備方法及設備簡單,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,具備實現低成本大規模連續生產的前景。

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、層數及缺陷之間的關系,同時揭示了產生高純度石墨烯需要的工藝條件。結合等離子體反應器流場溫度場的數值模擬和化學反應動力學計算,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境中保持平面生長。石墨烯形成機理的闡明,為產品生產控制提供了理論指導。

團隊特聘副研究員王城和博士生陳仙輝分別為兩篇論文的第一作者,夏維東為兩篇論文的通訊作者,王城和副教授葉桃紅分別為兩篇論文共同通訊作者。該項目獲得國家自然科學基金委、中科院儀器專項基金和合肥碳藝科技有限公司的資助。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.04.015

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.077

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