Numerical simulation of carbon arc discharge for graphene synthesis without catalyst

In this study, graphene sheets are prepared under a hydrogen atmosphere without a catalyst, and the growth mechanism of graphene by direct current arc discharge is investigated experimentally and numerically. The size and layer numbers of graphene sheets increase with the arc current.Distributions of temperature, velocity, and mass fraction of carbon are obtained through numerical simulations. A high current corresponds to a high saturation temperature, evaporation rate, and mass density of carbon clusters. When the carbon vapor is saturated, the saturation temperatures are 3274.9, 3313.9, and 3363.6 K, and the mass densities are 6.4×1022,8.42×1022, and 1.23×1023 m-3 under currents of 150, 200, and 250 A, respectively. A hydrogen-induced marginal growth model is used to explain the growth mechanism. Under a high current, the condensation coefficient and van der Waals force increase owing to the higher saturation temperature and mass density of carbon clusters, which is consistent with experimental results.

Hydrogen-induced marginal growth model for the synthesis of graphene by arc discharge

High-quality graphene is prepared by arc discharge with low cost under hydrogen atmosphere. However, the growth mechanism of graphene synthesis by arc discharge remains unclear. In this paper, the hydrogen-induced marginal growth(HIMG) model is deduced to study the growth mechanism of graphene by combining experiment with numerical simulation results. First, the characteristics of thick edges and thin middle and containing hydrogen are verified by transmission electron microscopy and Raman spectroscopy, respectively. In addition, numerical simulation provides the chemical species and temperature range of graphene growth. Second, the marginal growth pattern of hydrogen transfer and carbon addition is introduced because the C–H and C–C reduce configuration energy and island energy, respectively. Meanwhile, the stacking growth at the margin of the graphene island leads to the longitudinal growth of graphene because of the Van der Waals force and the effect of self-assembly,increasing the number of graphene layers. Finally, graphene sheets with a small amount of hydrogen are deposited on the inner wall after annealing. The investigation of the growth mechanism of graphene under hydrogen atmosphere lays a foundation for the large-scale preparation of graphene by arc discharge.

电弧法制备石墨烯:工艺参数,生长机理,存在的问题与对策

石墨烯具有完美的二维结构和优异的光学、力学、热学、电学、化学性能,自发现以来就引起了科研界的广泛关注。在过去的十几年间,石墨烯的制备方法不断涌现,电弧法因具有效率高、安全可靠、产品品质高、环境友好、容易得到掺杂的石墨烯等优点而受到广泛关注。总结了反应气氛、压力、催化剂、磁场等因素对电弧法制备石墨烯的影响。同时,对石墨烯在上述影响因素下的生长机理进行论述,分析了电弧法制备石墨烯存在的问题,并提出了相应的解决途径。最后,对我国石墨烯的研究现状进行总体分析,并展望了电弧法制备石墨烯的发展趋势。

Fe掺杂AlN纳米线/三维片层复合分级纳米结构的自组装生长

源于自组装生长的分级纳米结构因新颖的属性而吸引了人们的广泛关注。采用等离子体辅助直流弧光放电技术,以FeAl合金以及N2为反应源,一步实现AlN:Fe纳米线/三维片层复合分级纳米结构的制备。通过X射线衍射(XRD)仪、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线电子谱仪(EDS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等对该分级结构的晶体结构、形貌、元素组成、微观结构进行了详细的分析,发现该复合分级纳米结构由一维AlN:Fe纳米线上AlN:Fe纳米颗粒原位自组装生长而成。对分级片层结构的生长机理进行研究,发现AlN:Fe磁性纳米粒子的电偶极矩及其表面上积聚电荷协同促使纳米粒子自组装形成AlN:Fe纳米片层结构。磁性测试表明,该复合分级纳米结构具有室温铁磁性,Fe^3+的3d能带中未被抵消的自发磁矩导致的自发极化是其磁性产生的主要原因。本工作为利用磁性纳米粒子自组装制备复杂的分级纳米结构系统提供了可行性。

直流电弧等离子体法制备纳米材料的研究进展

纳米材料由于具有特殊的光学、力学、磁学、电学、超导、催化等特性而被广泛应用于电子、机械装置、药物传输、催化剂等众多领域。直流电弧等离子体法是一种制备高纯度纳米材料的有效手段,通过在两电极之间的电弧放电产生高温,使反应室中的气体变为等离子体态,原材料蒸发分解成气态原子,过饱和的蒸汽流动到反应室中温度较低的部位,并重新成核生长成所需的纳米粒子。使用直流电弧等离子体法制备纳米材料具有操作简单、成本低、合成速度快、产物纯度高、环境友好等优点。在电弧法制备纳米材料的过程中,改变相关实验参数,会对产物的粒径、形貌等特性产生影响;特别是在制备碳纳米材料时,改变实验条件还会得到如碳纳米管、石墨烯、碳纳米角等不同形貌的碳纳米材料。因此,需要从纳米颗粒的生长机理入手,找到不同纳米材料的最佳合成条件,实现其可控制备。如今,电弧法制备纳米材料的研究重点已由单纯的制备方法研究发展到深入分析其机理与探究可控合成的工艺条件,从而实现粒径可控、颗粒分布均匀纳米材料的规模化制备。此外,电弧法相比其他方法具有独特的优点,探索用电弧法制备新型纳米材料也是目前研究的焦点。近年来,使用电弧法制备纳米材料取得了众多成果。在碳纳米材料领域,不但实现了富勒烯、碳纳米管的制备,而且实现了高品质单层石墨烯和碳纳米角的制备。在金属纳米材料领域,制备出了高品质的纳米银粉和镍粉等。此外,难熔金属由于熔点高,使用其他方法难以制备出相关种类的纳米材料。而电弧区温度可以达到104K,使用电弧法可制备出Mo、Cr、V、W等多种难熔金属的纳米材料。在陶瓷纳米材料领域,成功制备了SiC、TiC等高性能陶瓷纳米材料。实现电弧法可控制备纳米材料需要对纳米颗粒的形成及生长机理进行深入探究,相关工作也在不断推进。最近,研究者们使用数值模拟等辅助手段来模拟电弧过程,可以得到电弧区的温度、压力、速度分布情况,模拟的实验结果对解释纳米材料的生长机理起到非常重要的作用。本文主要介绍了使用直流电弧等离子体法制备碳纳米材料、金属纳米材料及陶瓷纳米材料的研究进展,并对纳米粒子的形成机理做了深入分析;阐述了电弧等离子法制备纳米材料存在的问题,并提出了相应的解决策略;最后,对电弧法制备纳米材料向着大规模、低成本可控制备的发展进行了展望。

氮掺杂长竹节状碳纳米管的制备及其生长机理

采用电弧放电法，通过阳极棒与不锈钢片的共蒸发，制备了氮掺杂长竹节状碳纳米管（NDLBLCNTs）。借助扫描电子显微镜（SEM）、场发射高分辨透射电子显微镜（HRTEM）及其附带能量色散x射线（EDx）光谱仪和电子能量损失谱（EELS）、透射电子显微镜（TEM）等表征方法，对产物的形貌、结构和组成进行表征。表征结果表明，NDLBLCNTs的长度在640-835nm之间，其内径在23-35nm之间，外径在28-47nm之间；且在每一节“竹节”与另一节“竹节”的连接处形成的内腔中均有一个黑色纳米颗粒．其直径尺寸以及产物中的NDLBLCNTs的含量均与熔化、蒸发的不锈钢片的面积有关。对NDLBLCNTs的生长机理进行了简单的探讨。

石墨烯的制备技术研究进展

石墨烯以其高强度、高导电性、极轻薄等优势,使其在电子、航天、军工、生物、新能源、半导体等领域具有广阔的应用潜力,成为国际上的研究热点和竞争焦点。石墨烯的制备是石墨烯走向应用的关键,如何大规模制备高质量、大尺寸、低成本的石墨烯是产业化亟待解决的问题。本文对近些年在石墨烯的制备方法方面取得的进展及优缺点进行了综述。