【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】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(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)。
 

　　等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài)。物質(zhì)由分子構成，分子由原子構成，原子由帶正電的原子核和圍繞它的、帶負電的電子構成。當被加熱到足夠高的溫度或其他原因，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，就像下課后的學生跑到操場上隨意玩耍一樣。電子離開原子核，這個過程就叫做“電離”。這時，物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的、一團均勻的“漿糊”，因此人們戲稱它為離子漿，這些離子漿中正負電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。
 

　　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(jié)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。
 

　　等離子體(plasma)又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導電體，利用經(jīng)過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間、空間物理、地球物理等科學的進一步發(fā)展提供了新的技術和工藝。
 

　　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。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(jié)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。
 

　　石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗經(jīng)行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，這種性質(zhì)使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對論量子力學的凝聚態(tài)物質(zhì)——因為無質(zhì)量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學來描述，這為理論物理學家們提供了一個嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進行的試驗，可以在小型實驗室內(nèi)用石墨烯進行。
 

　　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的工藝條件。結(jié)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(qū)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。
 

　　資料來源：中國科學技術大學、百科