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。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。

不同模式電弧CCD圖像與石墨烯樣品檢測結果

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)及缺陷之間的關系，同時揭示了產(chǎn)生高純度石墨烯需要工藝條件。結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。

團隊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。本項目獲得國家自然科學基金委和中國科學院儀器專項基金的資助。

論文鏈接：

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

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