等离子体宏观制备石墨烯取得进展

 

　　石墨烯（Graphene）具有优异的光学、电学、力学特性，被认为是一种未来革命性的功能/结构材料，在能源环境、生物医疗、电子器件、化工和航空航天等多方面具有重要的应用。采用射频感应加热和微波加热等离子体制备石墨烯能耗高，难以工业化应用。热等离子体热解碳氢化合物合成石墨烯，由于等离子体电导率随着温度增加迅速上升，导致电弧自动收缩到很小的范围，对于合成石墨烯要求的毫秒级反应时间，难以实现均匀加热，产品均匀性差，能耗高。采用课题组研制的磁分散电弧产生大面积均匀等离子体的技术，解决了等离子体对物料快速均匀加热问题。所制备的石墨烯平面尺寸50-300nm，层数2-5 层，表现出良好的晶体结构和超大的比表面积，产品均匀性好；制备方法及设备简单，一步合成，无需还原，且无需基底、催化剂、溶液或酸，收率高约（~14%），能耗低约~0.4kW·h/g，成本低，具备实现低成本大规模连续生产的前景。

 

　　研究工作探究了等离子参数、原料气体组成与纳米石墨烯形态、层数及缺陷之间的关系，同时揭示了产生高纯度石墨烯需要的工艺条件。结合等离子体反应器流场温度场的数值模拟和化学反应动力学计算，提出石墨烯可能的形成机理：低碰撞频率的成核前驱体有利于形成片层（sheet-like）核心，并在富氢和高温的等离子体环境中保持平面生长。石墨烯形成机理的阐明，为产品生产控制提供了理论指导。

 

　　团队特聘副研究员王城和博士生陈仙辉分别为两篇论文的作者，夏维东为两篇论文的通讯作者，王城和副教授叶桃红分别为两篇论文共同通讯作者。该项目获得自然科学基金委、中科院仪器专项基金和合肥碳艺科技有限公司的资助。
 

图：不同模式电弧CCD图像与石墨烯样品检测结果