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我國提出制備石墨烯新方法，有望低成本大規(guī)模生產(chǎn)
據(jù)中國科學技術大學網(wǎng)站12月19日消息，中國科學技術大學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、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(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(yè)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(xiàn)均勻加熱，產(chǎn)品均勻性差，能耗高。
不同模式電弧CCD圖像與石墨烯樣品檢測結果（圖自中國科大網(wǎng)站）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，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)出良好的晶體結構和超大的比表面積，產(chǎn)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(xiàn)低成本大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的前景。
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)及缺陷之間的關系，同時揭示了產(chǎn)生高純度石墨烯需要工藝條件。結合等離子體反應器流場溫度場的數(shù)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(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。
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基金委和中國科學院儀器專項基金的資助。
- 責任編輯: 李天宇
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