胡良兵教授，最新Nature！一e测试

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胡良兵教授，最新Nature！

2023-12-04 09:19:19 0 75

一、研究背景

等离子体可产生高活性和非平衡环境，可用于各种材料合成和工艺。然而，大规模、特别是高熔点、块状材料的制造需要等离子体放电工艺，这种工艺可以在大面积或大体积上实现均匀的高温。体积等离子体（如辉光放电）先前已通过各种方法得到证实，但通常是在低压（<150 torr）条件下，等离子体的中性气体温度（T_g）远低于电子温度（T_e）（<1,000 K）。因此，辉光放电以高产率处理高温材料的能力非常有限。另外，通常使用电弧放电来实现高温等离子体（高达 10,000 K 或更高），并实现常压制造。然而，传统板电极之间的常压电弧放电通常会收缩成一个狭窄、随机的电弧通道（约 1 mm），由于能量耗散到周围环境中，因此产生的温度分布非常不均匀。因此，电弧放电加工大规模材料的能力有限，特别是那些平面形状的材料。

为了提高常压下高温等离子体放电的稳定性和规模，人们探索了各种电极设计和工艺。例如，针对针电极可以防止等离子体随机放电，其中电极的高曲率（半径为几毫米）增加了局部电场强度，促进了二次电子的热离子发射，从而实现稳定的高温等离子体。然而，针状结构将电弧等离子体限制在狭窄的通道内，等离子体体积有限。虽然旋转滑动电弧可以增大放电体积，但等离子体通道仍然是丝状的，温度和活性物质分布不均匀。因此，据他们所知，常压高温等离子体合成和加工仍是可扩展的高温块状材料制造所面临的挑战。

二、研究成果

在这里，美国马里兰大学和普林斯顿大学的一个研究团队介绍了一种等离子体装置，它由一对碳纤维尖端增强电极组成，利用垂直方向的长碳纤维和短碳纤维的组合，能够在大气压下产生均匀、超高温和稳定的等离子体（高达8,000 K）。长碳纤维在低击穿电压下通过微火花放电启动等离子体，而短碳纤维则将放电凝聚成体积稳定的超高温等离子体。作为概念验证，他们利用这种工艺在几秒钟内合成了各种极端材料，包括超高温陶瓷（如碳氮化铪）和难熔金属合金。此外，碳纤维电极具有很高的可塑性，可根据各种合成需要进行塑形。这种简单实用的等离子体技术可能有助于克服高温合成中的挑战，并实现以可再生电力为动力的大规模电离等离子体制造。相关研究工作以“A stable atmospheric-pressure plasma for extreme-temperature synthesis”为题发表在顶级期刊《Nature》上。祝贺！

三、图文速递

图1. 电极设计采用长碳纤维和密集排列的大量小直径碳纤维尖端，可在大气压力下实现均匀的 USP

在此，报告了利用一对碳尖端增强电极（图 1a,b）在大气压力下实现的均匀、超高温（高达 8,000 K）、稳定等离子体 (USP)。电极由高密度（约 10⁵ cm^-2）垂直排列的短碳纤维（直径约 10 μm）以及一些延伸至两个电极之间的间隙并形成接触的长碳纤维组成。当施加电压时，长碳纤维的缺陷区域或接触点处的焦耳热会加剧，在这些地方的电阻最大，温度会达到超高，直到纤维断裂，产生非常小的间隙（约 10 μm）。在这些新形成的纤维尖端，局部增强的电场促进了二次电子发射，从而在狭窄的纤维间隙中产生火花放电（图 1b），有助于以创纪录的低击穿电压（约 40-45 V）启动等离子体。同时，如图 1c 的扫描电子显微镜（SEM）图像所示，密集间隔的短碳纤维产生尖端增强电场，这些电场在电极表面汇合（图 1d），加速了Townsend击穿到电弧的转变，扩大了等离子体的尺寸和体积，提高了等离子体的均匀性。这种扩展还产生了集体加热效应，有助于稳定等离子体。

利用这种技术，他们可以很容易地实现连续的、容积式等离子体（由电极尺寸决定），其温度高度可控，介于 3,000 K 和 8,000 K 之间，并且温度分布均匀（图 1e）。与其他电弧喷射或针对针电弧等离子体相比（图 1f），USP 工艺可以在大气压力下以较小的电流输入（约 45 A）实现均匀的大面积和高温（例如 8,000 K）。值得注意的是，由于碳电极的热容量低、热导率和发射率高，即使在这种超高温条件下，碳纤维尖端也能保持稳定。因此，在持续输入功率的情况下，体积等离子体可保持稳定运行 10 分钟或更长时间。

图2. 使用碳尖增强电极设计生成 USP 等离子体

图3. USP 特性

图 3a 显示了使用尖端增强碳毡电极进行 USP 放电过程的电流-电压 (I-V) 特性，图 3b 显示了不同阶段的相应图像。他们还使用原位电场诱导二次谐波 (E-FISH) 方法同时测量了电极之间的等离子体电场强度（图 3c）。当顶部碳毡偏置电压从 0 V 增加到约 33 V 时（图 3a，I），他们观察到电极之间有明亮的细丝（图 3b，I），这是焦耳加热的长接触碳纤维。然后，在大约 33-42 V 的电压下，他们观察到 I-V 曲线中没有电流信号（图 3a，II），纤维也没有发光（图 3b，II）。造成这种结果的原因是，接触到的长纤维因焦耳热过量而物理断裂，在这些纤维之间形成微间隙，切断了电流（图 3b，II）。随着电压进一步升高到 42-45 V 左右（图 3a，III），电场进一步升高（图 3c），他们观察到了微火花放电（图 3b，III）。利用尖端增强电场，这些放电发生在断裂纤维的狭窄间隙中。这一过程有助于利用Townsend击穿促进电子撞击电离，从而降低 USP 的击穿电压（图 3b，IV）。随着微火花向电弧放电的过渡，他们观察到由于等离子体中电子数密度和电导率的增加，电压迅速下降到 20 V 左右（图 3a、c），电流激增到 18 A（即电弧放电击穿电流；图 3a）。击穿后，两个电极之间的测量电场非常低（约 5 V mm^-1），表明这是一个热等离子体。随后，电弧放电体积开始在电极之间迅速扩大（图 3b，V）。当电流达到约 45 A 时（图 3a、b，VI 后），USP 产生了约 7700 K 的温度（图 2f）。然后，他们将电流从 45 A 逐步减小（图 3a、b，VII），即使在电流约为 7 A 时，电弧放电仍保持稳定，这远远低于气体放电击穿电流（约 18 A；图 3a）。这是典型的电弧等离子体放电滞后现象。总的来说，他们发现 USP 工艺的击穿电压明显低于之前报道的等离子体击穿值，而且具有很高的可重复性（约 42 ± 2.6 V，基于 15 次实验）。

他们还发现，只需调节所施加的电压和电流，就能快速开启和关闭体积等离子体。例如，他们使用可编程电源实现了脉冲等离子体，方法是反复将施加的电压设置为 45 V，持续 0.5 秒，然后再将电压调回 0 V，持续 0.5 秒（图 3d）。

图4. 应用 USP 合成各种高温材料

四、结论与展望

总之，他们报告了一种尖端增强型碳电极设计，它能在大气压力下形成均匀、大面积、体积等离子体，击穿电压创历史新低，同时实现高达 8,000 K 的超高温，从而克服了传统大气等离子体典型的空间不均匀性和/或不稳定性以及有限的温度范围。碳特别适合作为等离子体生成的电极材料，因为它具有很强的导电性，能承受比各种金属高得多的温度，并能以成本效益高的方式制造出不同的纤维结构，以实现尖端增强电场效应。此外，USP 设置只需要很低的电流和电压（在他们的实验中分别为 <50 A 和 <50 V），而不需要传统电弧熔化系统所需的昂贵的大功率电源和控制装置。由于 USP 成本低廉、易于安装，它使世界各地的实验室都能合成极端材料，而这些材料现在只能使用高度专业化的设备来制造，或者根本无法制造。他们还可以快速开启和关闭 USP 工艺，在 1 秒钟内使温度在低温（例如 1,000 K）和高温（例如 6,000 K）之间循环。这种可调性实现了非平衡合成，通过快速降低温度来控制反应产物或反应相，从而避免不必要的反应进展。

他们已经证明了 USP 在合成陶瓷、合金和碳纳米管方面的通用性。与用于材料合成和制造的其他等离子体技术（例如电弧熔化）相比，这种碳尖端增强等离子体具有各种优势，包括加热面积大且均匀，可以合成更大规模的材料。USP 电极的灵活性也使其能够适应不同的合成和制造应用。

他们希望这项技术能够帮助解决高温合成中的一系列难题，并促进反应等离子体环境中的材料发现。最后，他们注意到这种高温体积等离子体技术可以使用可再生能源供电，这表明它具有大规模绿色制造各种材料的潜力，包括那些可以承受极端环境（如超高温、高压和腐蚀）的材料。因此，USP 可以为未来广泛应用的可持续材料的合成提供一个平台。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06694-1

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