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等离子体制备石墨烯 突破热等离子体高能耗技术瓶颈

2020-02-03 10:33
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等离子体制备石墨烯 突破热等离子体高能耗技术瓶颈 中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系教授夏维东研究团队与合肥碳艺科技有限公司合作,提出利用磁分散电弧产生
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等离子体制备石墨烯 突破热等离子体高能耗技术瓶颈
  中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系教授夏维东研究团队与合肥碳艺科技有限公司合作,提出“利用磁分散电弧产生大面积均匀热等离子体合成石墨烯”的新方法,突破了热等离子体工艺或高能耗、或产品均匀性低和生产稳定性不足的技术瓶颈,有望实现大规模连续生产。
  等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成,分子由原子构成,原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因,外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子,就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核,这个过程就叫做“电离”。这时,物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”,因此人们戏称它为离子浆,这些离子浆中正负电荷总量相等,因此它是近似电中性的,所以就叫等离子体。
  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。
  等离子体(plasma)又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体,其运动主要受电磁力支配,并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体,利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
  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。
  石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中,电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述,这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向:一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,可以在小型实验室内用石墨烯进行。
  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。

 

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