中國科學院工程科學大學熱科學與能源工程系主任夏衛東研究團隊與南京碳藝科技有限公司合作，提出了一種新方法“利用磁分散電弧形成大面積均勻熱等離子體合成石墨烯”，突破了熱等離子體工藝或煤耗高、產品均勻性低、生產穩定性不足的技術難點，有望實現規模化連續生產。 該研究成果近期發表在《nano-》和《》雜志上。

石墨烯（）具有優異的光學、電學和機械性能，被認為是未來革命性的功能/結構材料。 它在能源環境、生物醫學、電子元件、化工、民用航空航天等諸多方面有著重要的應用。 利用射頻感應加熱和微波加熱等離子體制備石墨烯需要消耗大量煤炭，無法工業化應用。 熱等離子體熱解碳溴化合物合成石墨烯，由于等離子體濁度率隨著溫度降低而迅速上升，導致電弧手動收縮到很小的范圍，無法達到合成石墨烯所需的微秒級反應時間加熱不均勻，產品均勻性差，煤耗高。 課題組研發的磁分散電弧形成大面積均勻等離子體技術，解決等離子體對材料快速均勻加熱的問題。 所制備的石墨烯平面尺寸為50μm，層數為2-5層。 顯示出良好的晶體結構和較大的比表面積，產品均勻性好； 制備方法及設備簡單，一步合成，無需還原，無需底物、催化劑、溶液或酸，收率高（~14%），煤耗低至~0.4kW·h/g ，成本低，具有實現低成本大規模連續化生產的前景。

該研究工作探索了等離子體參數、原料二氧化碳組成與納米石墨烯形貌、層數和缺陷之間的關系，并明確了形成高含量石墨烯所需的工藝條件。 結合等離子體反應器內湍流溫度場的數值模擬和物理反應動力學的估計，提出了石墨烯可能的生產機理：低碰撞頻率的成核前驅體有利于層狀（類）核的形成，并且在氫氣和低溫等離子體環境中保持豐富的平面生長。 石墨烯生產機理的闡述為產品生產控制提供理論指導。

團隊特聘副研究員王成和博士生陳賢輝分別為兩篇論文的第一作者。 夏衛東是兩篇論文的通訊作者。 王成和葉桃紅副院長分別為兩篇論文的共同通訊作者。 該項目得到了國家自然科學基金委、中科院儀器專項基金和南京碳藝科技有限公司的資助。

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圖：不同模式的arc CCD圖像和石墨烯樣品測量結果

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