石墨烯（Graphene）具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的功能/結(jié)構(gòu)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(yīng)用。采用射頻感應(yīng)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(yīng)用。熱等離子體熱解碳?xì)浠衔锖铣墒?，由于等離子體電導(dǎo)率隨著溫度增加迅速上升，導(dǎo)致電弧自動(dòng)收縮到很小的范圍，對(duì)于合成石墨烯要求的毫秒級(jí)反應(yīng)時(shí)間，難以實(shí)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(shù)，解決了等離子體對(duì)物料快速均勻加熱問(wèn)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(gòu)和超大的比表面積，產(chǎn)品均勻性好；制備方法及設(shè)備簡(jiǎn)單，一步合成，無(wú)需還原，且無(wú)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(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的前景。

不同模式電弧CCD圖像與石墨烯樣品檢測(cè)結(jié)果

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(guān)系，同時(shí)揭示了產(chǎn)生高純度石墨烯需要工藝條件。結(jié)合等離子體反應(yīng)器流場(chǎng)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，提出石墨烯可能的形成機(jī)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(zhǎng)。石墨烯形成機(jī)理的闡明，為產(chǎn)品生產(chǎn)控制提供了理論指導(dǎo)。

團(tuán)隊(duì)王城特聘副研究員和博士生陳仙輝分別為兩篇論文的第一作者，夏維東教授為兩篇論文的通訊作者，王城特聘副研究員和葉桃紅副教授分別為兩篇論文共同通訊作者。本項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院儀器專項(xiàng)基金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.04.015

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.077