流态化合成石墨烯过程中的聚团流化与气相沉积及其相互耦合规律

Ultrafine catalysts with nanometer and micrometer sizes are used as the carrier, and a fluid bed reactor is built to synthesis graphene by chemical vapor deposition (CVD) method. By using high resolution microscopy and high speed CCD camera, the agglomerating fluidization during CVD process can be observed and analyzed. The influence of reaction conditions, kind and size of the catalyst carriers on flow characteristic of gas and solid in the fluidized bed will be studied. The interactions of reactive species with different hydrophilicity or hydrophobicity are to be clarified. In order to demonstrate the influence mechanism of the graphene growth on fluidization behavior in fluid bed reactor, the dispersion and agglomeration behaviors of particles as well as the mixing and transport properties of particle clusters are to be examined. The diffusion and adsorption of CH4 and H2 in the agglomerate particles under varied agglomeration features during fluidization process will be studied. Moreover, exploration the agglomeration fluidization properties of the ultrafine particles during CVD process is one of the aims of this project. The influence of agglomerate particulate fluidization (APF) and agglomerate bubbling fluidization (ABF) on CVD process will be uncovered, and the influence mechanism of the fluidization parameters on growth and structure morphology of the graphene will be researched. For improving the fluidization quality, some extra components will be added, and the influence of adding coarse particles on graphene growth under APF or ABF conditions will be revealed.

针对流化床化学气相沉积制备石墨烯过程，以纳米和微米级超细催化剂为载体，建立流化床化学气相沉积制备石墨烯反应装置，对热态合成石墨烯过程中的聚团流化特征进行在线观察和分析；研究超细催化剂载体种类、尺寸大小和反应器合成条件对流化床内气固流动特性的影响，分析不同形态和表面特性的反应性介质的相互作用，澄清颗粒分散与聚团行为以及颗粒群混合与输运特征，阐明催化剂载体上石墨烯的生长对床层流化行为的影响机理；考查不同流化特征下甲烷和氢气在团聚体中的扩散和表面吸附行为，探索流化床化学气相沉积制备石墨烯过程中超细颗粒的聚团流化特性；揭示聚团散式流化（APF）和聚团鼓泡流化(ABF)特性对化学气相沉积过程的影响机理，明确流化特征参数对石墨烯生长过程及其产物结构形态的影响规律，寻找通过添加组分来改善流化质量的影响机制，获得聚团散式流化和聚团鼓泡流化特征下石墨烯生长的热物理作用机制。

针对流化床化学气相沉积制备石墨烯过程，建立了FB-CVD系统装置，开展了相关的实验研究和观察分析。研究表明，疏水性纳米硅的聚团流化表现出聚团散式流化特征（APF），而碳包裹纳米铜的聚团流化表现出聚团鼓泡流化特征（ABF）。对于纳米硅聚团散式流化，在流化起始过程，压力波动呈现局域微细波动和宏观波动的两个尺度层次级别的变化规律；当达到正常流化后，大尺度上的宏观波动基本趋于稳定，而局域微细波动随速度增大更加剧烈。与APF不同的是，ABF不仅在起始过程，而且在正常流化阶段，始终呈现两个尺度层次级别的变化规律，大尺度上的波动表现为气泡的合并和聚集、颗粒聚团和破碎等行为的能量动量交换所致；局域微细波动主要表现为聚集体内的能量动量交换所致；随速度增加，两个尺度上的波动都趋于剧烈。据此可以判别聚团流化型态及其气泡和颗粒团聚体的输运行为特征。. 床层温度对于APF和ABF都具有重要影响：对于疏水性纳米硅的APF，氩气气氛下提升温度使得料层中的颗粒聚团平均尺度缩小，颗粒聚团尺度分布范围变窄。对于碳包覆纳米铜的ABF，提升温度使得颗粒聚团平均尺度增大，聚团尺度分布范围变宽。. 在实验条件下纳米硅聚团散式流化合成了少层石墨烯，获得了运行参数和添加组分对流态化合成石墨烯过程的影响规律，氢气气氛促使硅颗粒表层外延生长出多层次结构的无序石墨烯，促使颗粒聚团流化的聚团尺度增大。提高流化风速，硅颗粒表面包覆层厚度减薄。当向床层添加微米级大颗粒硅，床层流化型态发生变化，聚团散式流化（APF）转变为聚团鼓泡流化（ABF）特征。相比APF特征流化，ABF特征流化下纳米硅颗粒包覆层的平均厚度具有减薄的趋势，石墨烯包覆纳米硅的表面质量变差。. 开展了碳包裹纳米铜的聚团鼓泡流态化合成石墨烯的实验研究，提出了一种采用直接应用效果评价石墨烯品质的方法，石墨烯包覆纳米铜具有显著的防腐效果，将其添加到橡胶中，不仅提升了复合材料的导热系数，而且使得原本是绝缘体的橡胶变成了半导体甚至导体。