中国科学院工程科学大学热科学与能源工程系主任夏卫东研究团队与南京碳艺科技有限公司合作，提出了一种新方法“利用磁分散电弧形成大面积均匀热等离子体合成石墨烯”，突破了热等离子体工艺或煤耗高、产品均匀性低、生产稳定性不足的技术难点，有望实现规模化连续生产。 该研究成果近期发表在《nano-》和《》杂志上。
石墨烯（）具有优异的光学、电学和机械性能，被认为是未来革命性的功能/结构材料。 它在能源环境、生物医学、电子元件、化工、民用航空航天等诸多方面有着重要的应用。 利用射频感应加热和微波加热等离子体制备石墨烯需要消耗大量煤炭，无法工业化应用。 热等离子体热解碳溴化合物合成石墨烯，由于等离子体浊度率随着温度降低而迅速上升，导致电弧手动收缩到很小的范围，无法达到合成石墨烯所需的微秒级反应时间加热不均匀，产品均匀性差，煤耗高。 课题组研发的磁分散电弧形成大面积均匀等离子体技术，解决等离子体对材料快速均匀加热的问题。 所制备的石墨烯平面尺寸为50μm，层数为2-5层。 显示出良好的晶体结构和较大的比表面积，产品均匀性好； 制备方法及设备简单，一步合成，无需还原，无需底物、催化剂、溶液或酸，收率高（~14%），煤耗低至~0.4kW·h/g ，成本低，具有实现低成本大规模连续化生产的前景。
该研究工作探索了等离子体参数、原料二氧化碳组成与纳米石墨烯形貌、层数和缺陷之间的关系，并明确了形成高含量石墨烯所需的工艺条件。 结合等离子体反应器内湍流温度场的数值模拟和物理反应动力学的估计，提出了石墨烯可能的生产机理：低碰撞频率的成核前驱体有利于层状（类）核的形成，并且在氢气和低温等离子体环境中保持丰富的平面生长。 石墨烯生产机理的阐述为产品生产控制提供理论指导。
团队特聘副研究员王成和博士生陈贤辉分别为两篇论文的第一作者。 夏卫东是两篇论文的通讯作者。 王成和叶桃红副院长分别为两篇论文的共同通讯作者。 该项目得到了国家自然科学基金委、中科院仪器专项基金和南京碳艺科技有限公司的资助。
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图：不同模式的arc CCD图像和石墨烯样品测量结果
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