Simulation and Diagnostics of Plasma Chemical Processes during Microwave Plasma Synthesis of Graphene Nanosheets form Ethanol

Abstract

Plasma synthesis by ethanol decomposition in microwave atmospheric torch is a simple, efficient, single-step scalable method suitable for volume production of graphene nanosheets. In our work, we studied influence of microwave power on several plasma parameters (e.g. gas temperature, concentration of active species) by optical emission spectroscopy (OES), Fourier transform infrared spectrometry (FTIR) and mass spectrometry (MS) to better understand the process of precursor decomposition and graphene formation in the gas phase. We observed significant change in kinetics and influence of input power on ethanol decomposition routes. Results were compared with theoretical model comprising hydrodynamics, plasma, heat transfer and chemical kinetics.

Plazmová syntéza rozkladem etanolu v mikrovlnném atmosférickém hořáku je jednoduchá, účinná, jednokroková a škálovatelná metoda vhodná pro objemovou produkci grafenových nanovrstev. V naší práci jsme studovali vliv mikrovlnného výkonu na různé parametry plazmatu (např. teplotu plynu, koncentraci aktivních částic) pomocí optické emisní spektroskopie (OES), infračervené spektrometrie s Fourierovou transformací (FTIR) a hmotnostní spektrometrie (MS), s cílem lépe porozumět procesu rozkladu prekurzoru a tvorby grafenu v plynné fázi. Pozorovali jsme výraznou změnu v kinetice a vliv vstupního výkonu na rozkladné směry etanolu. Výsledky byly porovnány s teoretickým modelem zahrnujícím hydrodynamiku, plazma, přenos tepla a chemickou kinetiku