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我國科學家實現等離子體宏觀製備石墨烯

科技日報記者 吳長鋒

記者從中國科學技術大學獲悉,該校工程科學學院熱科學和能源工程係夏維東教授研究團隊與合作者合作,提出“利用磁分散電弧產生大麵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。該研究成果日前發表在《碳》雜誌上。

石墨烯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麵具有重要的應用。采用射頻感應加熱和微波加熱等離子體製備石墨烯能耗高,難以工業化應用。熱等離子體熱解碳氫化合物合成石墨烯,由於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範圍,對於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。

采用課題組研製的磁分散電弧產生大麵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。所製備的石墨烯平麵尺寸50-300nm,層數2-5層,表現出良好的晶體結構和超大的比表麵積,產品均勻性好;製備方法及設備簡單,一步合成,無需還原,且無需基底、催化劑、溶液或酸,收率高、能耗低、成本低,具備實現低成本大規模連續生產的前景。

該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係,同時揭示了產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,為產品生產控製提供了理論指導。

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