CN117756101A - 用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法 - Google Patents

用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，该方法包括：以至少60m/s标准温度和压力STP的速度将含碳物质注入等离子体的热区以使石墨烯纳米片成核，并用不超过1000℃的淬冷气体使石墨烯纳米片淬冷。含碳物质的注入可以使用多个喷射口进行。据使用514nm的入射激光波长测量，该石墨烯纳米片的拉曼G/D比大于或等于3且2D/G比大于或等于0.8。该石墨烯纳米片可以至少80g/h的速率产生。该石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。

Description

用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法
相关申请的交叉引用
本申请是申请日为2017年12月20日、申请号为201780084778.7、标题为“用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法”的中国发明专利申请的分案申请。
上述发明专利申请要求于2016年12月21日提交的US 62/437,057和于2017年5月30日提交的US 62/512,520的优先权，其在此通过引用整体并入。
技术领域
本公开涉及石墨烯生产领域，更具体地涉及使用等离子体方法生产石墨烯纳米片，并且涉及具有降低含量的多环芳烃(PAH)的石墨烯纳米片的生产。
背景技术
石墨烯是一种由几层或单层以蜂窝状晶格排列的sp-2键合碳原子组成的材料，是一种将高表面积和导电性与良好的化学惰性、以及出色的机械性能相结合的材料。这些品质使石墨烯成为电池、超级电容器和导电油墨应用的理想材料。石墨烯可以替代在电池电极中普遍使用的石墨和炭黑。石墨烯还可以替代汽车轮胎中的炭黑以及填料应用中使用炭黑和碳纤维的任何地方。
可商购的石墨烯可分为3类：在衬底上来自化学气相沉积(CVD)的单层石墨烯，来自石墨剥离的多层石墨烯，和使用等离子体炬生产的少层石墨烯纳米片。虽然CVD石墨烯具备真正单层石墨烯的品质，但它可能永不能生产出大量应用所需的量。剥离的多层石墨烯，虽然可得到适合于储能、填料和导电油墨应用的大批量，但不具备单层石墨烯的规格或光谱特征，也不能接近对于单层石墨烯预期的电导率值。由等离子体炬方法制成的少层石墨烯纳米片可以大量生产并且具有与单层石墨烯类似的特征(拉曼光谱和比表面积)。
非常希望以工业规模(即，使用高功率等离子体炬)生产具有类似于真正单层石墨烯的特征(拉曼光谱和比表面积)的大量经济的少层石墨烯。
通过将碳原料注入等离子体炬中来生产石墨烯的自下而上方法(Bottom-upmethod)已在文献中介绍。然而，在所有情况下，它们以低碳进料速率操作或者得到的石墨化差。这些出版物没有教导允许在维持高石墨烯品质的同时扩大生产规模的操作参数。例如，在美国专利No.8,486,363B2和美国专利No.8,486,364B2中，描述了使用烃前体材料生产石墨烯型碳粒子的方法。U.S.8,486,363B2描述了一种以93.6g/h的速率生产石墨烯型碳粒子的方法。专利申请no.WO 2015189643A1公开了一种以100g/h的速率生产石墨烯型粒子的方法。此外，多个团队已通过将烃注入电弧中来合成石墨烯纳米片(Zhiyong等人，Zhang等人，Amirov等人)。Bergeron、Lavoie以及Pristavita等人已经使用电感耦合等离子体来生产石墨烯纳米小板。此外，所有现有技术都是用低功率等离子体反应器(≤35kW)实现的。本文描述的方法允许用在等离子体余辉中产生过热的高功率等离子体反应器(例如>35kW)生产优质石墨烯纳米片。本文公开的方法还允许通过使烃气体充分分散和淬冷以高生产量生产高质量的石墨烯纳米片。
已知通过等离子体方法生产石墨烯纳米片会导致形成作为副产物的多环芳烃(PAH)(WO 2015189643 A1)。通常，产生的PAH的浓度范围在0.7重量％和2重量％之间。在这样的方法中，PAH在少层石墨烯纳米片的表面上形成。
PAH是存在于由气态烃前体的热解产生的碳基粉末上的不希望的化合物，或者当在碳基粉末的生产期间同时存在氢前体和碳前体的混合物时存在。PAH包括许多主要由碳和氢构成的化合物(CXHY)，其中碳主要以sp2杂化排列成芳环构造。PAH也可以含有少量氧或氮或其他原子。PAH可能是有害和致癌的，并且对处理含有PAH的碳纳米粒子的人以及使用含有PAH的产品的消费者构成严重危害(See Borm P J等人，Formation of PAH-DNAadducts after in vivo and vitro exposure of rats and lung cells to differentcommercial carbon blacks，Toxicology and Applied Pharmacology，2005Jun.1；205(2)：157-167.)。因此，有法规限制所制造的碳粉中存在的PAH的量(例如，EU指令2007/19/EC制定了炭黑中的最大苯并(a)芘含量为0.25mg/kg)。此外，PAH在碳表面上的存在可通过阻塞小孔隙并因此通过降低比表面积而对储能应用中的性能具有不利影响。
此外，由世界海关组织(World Custom Organization，WCO)制定的协调制度(Harmonized System，HS)将许多PAH分类为1B类致癌物质、致突变物质或生殖毒性(CMR)物质。因此，新的欧洲REACH法规附录(European REACH Annex)XVII将消费品中PAH的浓度限制在0.0001重量％(或1mg/kg)。
从碳粒子洗涤或清洗掉PAH的湿化学方法是已知的。这样的方法，例如Soxhlet提取，通常需要使用有毒的非极性溶剂，例如甲苯，因为PAH的溶解度非常有限。然而，这类涉及有毒溶剂的方法导致由被PAH污染的溶剂形成的大量废物。因此，湿化学PAH去除方法具有负面的环境影响并且对不含PAH的最终产品增加了大量成本。因此非常希望开发一种简单的气相(干)方法来从碳纳米粒子和石墨烯纳米片并尤其是等离子体生长的石墨烯纳米片中除去PAH，这种方法也是经济的并且不涉及溶剂废物。使用液相方法，一旦干燥，还会导致碳粉的显著致密化。例如，这样较高的密度可能对进一步加工例如分散不利。与含有PAH的等离子体生长的石墨烯纳米小板相比，使用等离子体方法生长的不含PAH的石墨烯纳米小板显示出更大的比表面积、分散性并呈现更小的健康风险。
因此非常希望使用等离子体方法并且没有后加工地直接生产含有非常低水平的PAH的石墨烯纳米小板。实际上，虽然可以使用湿法化学方法(例如Soxhlet提取)洗去PAH，但这对最终的不含PAH的石墨烯材料增加了很多成本。
发明内容
在一个方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s标准温度和压力(STP)的速度将含碳物质注入等离子体的热区以使石墨烯纳米片成核，并用不超过1000℃的淬冷气体使石墨烯纳米片淬冷。
在另一个方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度将含碳物质注入等离子体的热区以使石墨烯纳米片成核，并用不超过1000℃的淬冷气体使石墨烯纳米片淬冷，由此产生据使用514nm的入射激光波长测量为拉曼G/D比大于或等于3且2D/G比大于或等于0.8的石墨烯纳米片。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度并且以至少75每分钟标准升(slpm)淬冷气体/摩尔注入碳/分钟的淬冷气体与碳之比，将含碳物质注入等离子体的热区，由此产生石墨烯纳米片。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度并且以至少1.25slpm的淬冷气体/kW供应的等离子体炬功率的淬冷气体与供应的等离子体炬功率之比，将含碳物质注入等离子体的热区，由此产生石墨烯纳米片。
在又一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
将含碳物质注入等离子体的热区，含碳物质的注入使用多个喷射口以至少60m/sSTP的速度进行并被引导为，使得注入的含碳物质围绕炬轴线径向分布并在到达淬冷气体之前被稀释，由此产生据使用514nm的入射激光波长测量为拉曼G/D比大于或等于3且2D/G比大于或等于0.8的石墨烯纳米片。
本文中提供的另一方面是一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度并且以至少1.25slpm的淬冷气体/kW供应的等离子体炬功率的淬冷气体与供应的等离子体炬功率之比，将含碳物质注入等离子体的热区，由此以至少120g/h的速率产生石墨烯纳米片。
本文中提供的另一方面是一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
将含碳物质注入等离子体的热区，含碳物质的注入使用多个喷射口以至少60m/sSTP的速度进行并被引导为，使得注入的含碳物质围绕炬轴线径向分布并在到达淬冷气体之前被稀释，由此以至少120g/h的速率产生石墨烯纳米片。
本文中提供的另一方面是一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s的速度将含碳物质注入等离子体的热区，由此以至少2g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生石墨烯纳米片。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s的速度并以大于35kW的供应的等离子体炬功率将含碳物质注入等离子体的热区，由此以至少80g/h的速率产生石墨烯纳米片。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
将天然气或甲烷以至少60m/s STP的速度注入等离子体的热区以使石墨烯纳米片成核，并用淬冷气体使石墨烯纳米片淬冷。
在一个方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s标准温度和压力(STP)的速度将含碳物质注入等离子体的热区以使石墨烯纳米片成核，并用不超过1000℃的淬冷气体使石墨烯纳米片淬冷，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度将含碳物质注入等离子体的热区以使石墨烯纳米片成核，并用不超过1000℃的淬冷气体使石墨烯纳米片淬冷，由此产生据使用514nm的入射激光波长测量为拉曼G/D比大于或等于3且2D/G比大于或等于0.8的石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度并且以至少75每分钟标准升(slpm)淬冷气体/摩尔注入碳/分钟的淬冷气体与碳之比，将含碳物质注入等离子体的热区，由此产生石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度并且以至少1.25slpm的淬冷气体/kW供应的等离子体炬功率的淬冷气体与供应的等离子体炬功率之比，将含碳物质注入等离子体的热区，由此产生石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
在又一个方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
将含碳物质注入等离子体的热区，含碳物质的注入使用多个喷射口以至少60m/sSTP的速度进行并被引导为，使得注入的含碳物质围绕炬轴线径向分布并在到达淬冷气体之前被稀释，由此产生据使用514nm的入射激光波长测量为拉曼G/D比大于或等于3且2D/G比大于或等于0.8的石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
本文中提供的另一方面是一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度并且以至少1.25slpm的淬冷气体/kW供应的等离子体炬功率的淬冷气体与供应的等离子体炬功率之比，将含碳物质注入等离子体的热区，由此以至少120g/h的速率产生石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
本文中提供的另一方面是一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
将含碳物质注入等离子体的热区，含碳物质的注入使用多个喷射口以至少60m/sSTP的速度进行并被引导为，使得注入的含碳物质围绕炬轴线径向分布并在到达淬冷气体之前被稀释，由此以至少120g/h的速率产生石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
本文中提供的另一方面是一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s的速度将含碳物质注入等离子体的热区，由此以至少2g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s的速度并以大于35kW的供应的等离子体炬功率将含碳物质注入等离子体的热区，由此以至少80g/h的速率产生石墨烯纳米片，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
在另一方面，本文中提供了一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
将天然气或甲烷以至少60m/s STP的速度注入等离子体的热区以使石墨烯纳米片成核，并用淬冷气体使石墨烯纳米片淬冷，
其中石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
已经发现，本文公开的方法还允许生产高质量的石墨烯纳米片，其具有非常低的PAH含量并且对于处理和整合到最终用户应用中而言是安全的。还发现本文所述的方法有效增加等离子体方法中石墨烯的生产率，因此允许经济和大规模生产。例如，已经发现，通过提高含碳物质的进料速率并同时调适喷嘴注入器的设计，能够增加生产率。还发现本文所述的方法对于生产具有降低的多环芳烃浓度的石墨烯纳米片是有效的。
附图说明
在以下附图中，仅作为示例表示本公开的各种实施方式：
图1A(底视图)和图1B(沿图1A的1B-1B线取的横截面图)显示了用于注入含碳物质的五(5)孔喷头型喷嘴。
图2是从使用多孔注入器产生的样品以514nm的入射波长得到的拉曼光谱图，其中对于这些注入孔中的每一个，注入速度大于或等于60m/s STP(标准温度和压力)且注入角相对于等离子体的对称轴是25度。
图3是从使用单孔注入器和较低的注入速度(小于60m/s STP)产生的样品以514nm的入射波长得到的拉曼光谱图。
图4显示了具有实施例1中使用的多孔注入器的等离子体炬以及包含不含碳气体和含碳物质的气体的定性流动。
图5显示了具有实施例2中使用的单孔注入器的等离子体炬以及包含不含碳气体和含碳物质的气体的定性流动。
具体实施方式
如本文所用的表述“石墨烯纳米片”是指摺皱的石墨烯纳米片，其具有包含一个原子厚的以蜂窝状晶格排列的sp2键合碳原子片的一个或多个堆叠层的结构。这些堆叠的片中的至少一部分卷曲、弯曲或弯折，赋予它们3D形态。这样的粒子也称为石墨烯纳米小板(GNP)、石墨烯纳米小片、摺皱石墨烯、少层石墨烯、石墨烯碳粒子或仅称石墨烯。例如，石墨烯纳米片可以指由10层或更少层构成并据ASTM D 3663-78标准(Brunauer等人)测量显示高B.E.T.比表面积(≥250m2/g)的粒子。粒子的厚度范围在0.5-10nm之间，宽度通常大于或等于50nm，因此显示出至少5:1但通常大于或等于10:1的高纵横比。当使用拉曼光谱法以514nm的入射激光波长进行分析时，粒子显示典型的D带、G带和2D带(分别位于约1350cm-1、1580cm-1、2690cm-1处)并且G/D比大于或等于3(G/D≥3)以及2D/G比大于或等于0.8(2D/G≥0.8)。用于本文时，G/D比和2D/G比是指这些带的峰强度之比。
如本文所用的表述“纵横比”是指石墨烯粒子的最长尺寸与石墨烯粒子的最短尺寸之比。例如，平均宽度为100nm且平均厚度为2nm的石墨烯粒子具有50:1的纵横比。
如本文所用的表述“多环芳烃”或“PAH”是指在煤、油、气、木材、垃圾或其他有机物质例如烟草和炭烤肉的不完全燃烧过程中形成的一组化学物质。有超过100种不同的PAH。PAH通常作为复合混合物存在(例如，作为燃烧产物如烟灰的一部分)，不作为单一化合物。它们也可以存在于诸如原油、煤、煤焦油沥青、杂酚油和屋顶焦油的物质中。PAH的名单包括但不限于联苯撑、苊烯、菲、蒽、荧蒽、芘、二甲苯、萘(Napthalene)、苯并(A)芘(BaP)、苯并[E]芘(BeP)、苯并[a]蒽(BaA)、(CHR)、苯并[b]荧蒽(BbFA)、苯并[j]荧蒽(BjFA)、苯并[k]荧蒽(BkFA)、和二苯并[a,h]蒽(DBAhA)。
石墨烯样品中多环芳烃的浓度可以定量测定，例如通过在甲苯中进行Soxhlet提取、然后使用气相色谱质谱法(GC/MS)进行分析，这是定量炭黑样品中的苯并-α-芘(BaP)常用的。标准ASTM D7771-17，“Standard Test Method for Determination of Benzo-α-Pyrene(BaP)Content in Carbon Black”，描述了定量碳样品中多环芳烃的标准方法。虽然该标准着重于苯并-α-芘(BaP)，但该测量方法可用于PAH家族的其他化合物。我们报告的PAH百分比浓度是所有检测到的PAH的总和。与ASTM标准的16小时相比，我们的Soxhlet提取通常只有约4-6小时。Soxhlet是为以快速填充/排出循环进行高效率提取而设立的。在提取终止之前，洗脱液是无色的。不将提取物浓缩，但通过GC/MS直接分析，并与可商购的标准PAH混合物比较。该方法的检测限为约35-90ppm PAH(0.0035-0.0090重量％PAH)的量级。
如本文所用的表述“含碳物质”是指包含至少一个碳原子的化合物或物质。
如本文所用的表述“热区”是指可以例如通过准热等离子体产生的热区，所述准热等离子体是例如，接近局部热力学平衡(LTE)的等离子体，其由例如电感耦合等离子体炬(ICP)、直流等离子体炬(DC-等离子体)、交流等离子体(AC-等离子体)或微波等离子体炬或任何其它合适的方式形成，以产生等离子体状态的热气体。等离子体在电子、离子、中性物质和自由基之间频繁碰撞的高压(通常超过100托)下接近LTE。
如本文使用的术语“供应的等离子体炬功率”是指供应给等离子体炬的功率。所供应的功率大于或等于等离子体中的功率，因为等离子体炬不是100％有效地将供应的功率传递给等离子体气体。
如本文所用，术语“淬冷气体与碳之比”是指对于含碳物质、例如注入的含碳气体的每单位时间体积(例如slpm)而言，淬冷气体的每单位时间体积，例如注入气体的每分钟标准升(slpm)。如本文所用的术语“淬冷气体与碳之比”还指淬冷气体的每单位时间体积与注入的碳摩尔数(1摩尔碳等于12克碳)之比。如本文所用的“淬冷气体与碳之比”还指注入反应器中的淬冷气体的每单位时间质量(例如克/秒或克/分钟)与含碳物质的每单位时间质量(例如克/秒或克/分钟)之比。
用于本文时，术语“淬冷气体”是指并且可包括在STP下具有大于或等于17.9毫瓦/米/开氏度(STP下氩气的热导率；参见E.W.Lemmon和R.T Jacobsen)的高导热率的任何不含碳气体。淬冷气体可以例如由氩气、氦气、氢气、氮气或热导率大于或等于17.9mW/m.K的任何其他气体、或这些气体的任何混合物组成。本领域技术人员将理解，气体的热导率是反应物的淬冷速率的决定因素。淬冷气体通常将在等离子体炬附近或内部注入，但可以注入反应器中的其他地方以及多个层或多个位置中。用于本文时，“淬冷气体”还指在RF-等离子体或DC-等离子体炬中邻近等离子体气体注入并用于保护炬部件免受热冲击和降解的鞘流气体(见图4和图5)。
用于本文时，除非另有说明，否则所有气体体积和速率均意在表示在标准温度和压力(STP)下的量。本领域技术人员将容易理解，这些值在等离子体炬中经历的高温和高压下改变。
无数量指示的指称物当在权利要求和/或说明书中与术语“包含”相结合使用时可以是指“一个”，但它也符合“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义，除非内容另有明确规定。类似地，除非内容另有明确规定，否则词语“另一”可以表示至少第二或更多。
用于本文时，单词“包含”(以及任何形式的包含)、“具有”(以及任何形式的具有)、“包括”(以及任何形式的包括)、或“含有”(以及任何形式的含有)，是包容性的或开放式的，并且不排除其他未列举的元素或方法步骤。
因此，本公开涉及结构类似于单层石墨烯结构的石墨烯纳米片的生产。本公开的方法允许以工业规模生产具有类似于真正单层石墨烯的特征(拉曼光谱和比表面积)的少层石墨烯。由本公开的方法得到的石墨烯纳米片的特征在于拉曼2D/G比率大于或等于0.8(当使用波长为514nm的入射激光测量时)且比表面积(BET)为250m2/g或更大。由CVD石墨烯展现的这种拉曼特征证明该石墨烯由非常少的层(例如4-7)构成。此外，用等离子体产生的石墨烯的波状形态允许将石墨烯分散在各种溶剂和树脂中，并避免层的重新堆叠。
本公开描述了使用等离子体炬方法以工业规模获得高质量石墨烯纳米片的方法。通过等离子体炬方法形成石墨烯纳米片经历3个不同的阶段：(a)在热区中分解碳前体气体，继以在冷却时(b)形成石墨烯核，和(c)核生长成少层石墨烯片。
取决于阶段(a)和阶段(b)中经历的温度分布，存在3种竞争性反应路径，产生不同类型的纳米结构。这些路径是(1)1600℃左右的多环芳烃(PAH)路径并产生炉黑型粒子，其中PAH来源于乙炔前体；(2)2600℃左右的乙炔路径并产生乙炔黑型粒子；和(3)在更高温度下的C2自由基路径，产生期望的摺皱片状形态。为了增加对期望的片状形态的选择性，必须避免PAH和乙炔路径，因此避免形成在C2自由基冷却期间在活性氢存在下在2000℃至4000℃之间的温度下形成的活性乙炔。这可以通过在热的热区(例如>4000℃)和冷气(鞘流)区(例如<1000℃)之间提供陡峭的温度梯度来实现。在本公开的方法中，反应物经历的这种陡峭梯度可以通过使用注入器喷嘴并通过适当选择淬冷气体(鞘流气体)的组成和流速来放大。注入器喷嘴赋予烃气体高的注入速度并引导流动径向(相对于炬轴线)通过最陡的温度梯度，使得成核粒子在到达冷气体前沿之前行进最小的距离。注入器喷嘴还稀释烃气体以防核化石墨烯纳米片彼此相互作用。本文所述的注入设计以及改进的淬冷条件例如通过增加烃进料速率允许获得期望的高质量材料的高生产量生产。
此外，本公开描述了以高生产率(例如至少225g/h)生产高质量石墨烯的操作参数，特别是关于烃注入的工作参数，从而实现了商业上可行的方法。
例如，石墨烯纳米片用温度低于1300℃的淬冷气体淬冷。
例如，石墨烯纳米片用温度低于900℃的淬冷气体淬冷。
例如，石墨烯纳米片用温度低于600℃的淬冷气体淬冷。
例如，石墨烯纳米片用温度低于300℃的淬冷气体淬冷。
例如，石墨烯纳米片用温度低于100℃的淬冷气体淬冷。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为至少50slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为至少100slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为至少150slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为至少160slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为至少250slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为约50slpm至约125slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为约100slpm至约160slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质以淬冷气体与碳之比为约100slpm至约250slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟注入。
例如，含碳物质的注入使用多个喷射口进行。
例如，含碳物质的注入使用至少2个喷射口进行。
例如，含碳物质的注入使用至少3个喷射口进行。
例如，含碳物质的注入使用至少4个喷射口进行。
例如，含碳物质的注入使用至少5个喷射口进行。
例如，含碳物质的注入使用多于5个喷射口进行。
例如，石墨烯纳米片以至少120g/h的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以至少150g/h的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以至少200g/h的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以至少250g/h的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以约120g/h至约150g/h的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以约150g/h至约250g/h的速率产生。
例如，石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以至少3slpm淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
例如，石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以至少1slpm淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
例如，石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以至少0.5slpm淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
例如，石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以约0.5slpm至约1.5slpm淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
例如，石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以约1.5slpm至约4slpm淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
例如，石墨烯纳米片以至少1g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以至少2.5g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以至少3g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以至少5g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以约2g/kWh供应的等离子体炬功率至约3g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生。
例如，石墨烯纳米片以约3g/kWh供应的等离子体炬功率至约5g/kWh供应的等离子体炬功率的速率产生。
例如，含碳物质是烃前体。
例如，含碳物质选自甲烷、正丙醇、乙烷、乙烯、乙炔、氯乙烯、1,2-二氯乙烷、烯丙醇、丙醛和/或溴乙烯。
例如，含碳物质是含碳气体。
例如，含碳气体是天然气。如本文所用的术语“天然气”是指在地球表面下的多孔地质构造中发现的天然存在的烃和非烃气体的混合物。天然气的主要成分是甲烷。应该理解，天然气的内容物将根据其来源的位置而变化。
例如，含碳气体是C1-C4烃。
例如，含碳气体是C1-C4烃，例如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、氯乙烯、丙烷、丙烯、环丙烷、丙二烯、丙炔、丁烷、2-甲基丙烷、1-丁烯、2-丁烯、2-甲基丙烯、环丁烷、甲基环丙烷、1-丁炔、2-丁炔、环丁烯、1,2-丁二烯、1,3-丁二烯或1-丁烯-3-炔或其混合物。
例如，含碳物质是甲烷或天然气。
含碳物质不限于含碳气体，还包括含碳液体和含碳固体。也有可能使用含碳气体和含碳液体的混合物；含碳气体和含碳固体的混合物；含碳液体和含碳固体的混合物；或含碳气体、含碳液体和含碳固体的混合物。
例如，含碳物质是含碳液体。
例如，含碳液体是C5-C10烃。
例如，含碳液体选自正丙醇、1,2-二氯乙烷、烯丙醇、丙醛、溴乙烯、戊烷、己烷、环己烷、庚烷、苯、甲苯、二甲苯或苯乙烯或其混合物。
例如，含碳物质是含碳固体。
例如，含碳固体选自石墨、炭黑、降冰片烯、萘、蒽、菲、聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯或其混合物。含碳固体可以是例如纳米粉末的形式。
例如，含碳气体、含碳液体或含碳固体与载气混合。
例如，载气包含惰性气体。
例如，惰性气体选自氩气、氦气、氮气、氢气或其混合物。
例如，淬冷气体选自氩气、氦气、氮气、氢气或其混合物。
例如，淬冷气体包含惰性气体。
例如，淬冷气体包含氢气。
例如，淬冷气体包含氩气。
例如，对于每kW供应的等离子体炬功率，淬冷气体以1-10slpm气体的速率进给。
例如，热区的温度为约4000℃至约11 000℃。
例如，热区的温度为约3000℃至约8000℃。
例如，热区的温度为约2600℃至约5000℃。
例如，含碳物质以至少70m/s STP的速度注入。
例如，含碳物质以至少90m/s STP的速度注入。
例如，含碳物质以至少100m/s STP的速度注入。
例如，含碳物质以约60m/s STP至约100m/s STP的速度注入。
例如，含碳物质以约70m/s STP至约90m/s STP的速度注入。
例如，含碳物质以约75m/s STP至约85m/s STP的速度注入。
例如，淬冷气体在热区周围注入。
例如，方法还包括收集产生的石墨烯纳米片。
例如，在袋式过滤器中、在滤筒上、用旋风分离器或粉末加工领域技术人员使用的其他装置收集产生的石墨烯纳米片。
例如，据ASTM D 3663-78测量，石墨烯纳米片的B.E.T.比表面积大于或等于250m2/g。
例如，石墨烯纳米片纵横比为至少5:1。
例如，石墨烯纳米片纵横比为至少10:1
例如，据使用514nm的入射激光波长测量，石墨烯纳米片的拉曼G/D比为至少3。
例如，据使用514nm的入射激光波长测量，石墨烯纳米片的拉曼2D/G比为至少0.8。
例如，所提供的等离子体炬功率大于35kW。
例如，所提供的等离子体炬功率大于100kW。
例如，所提供的等离子体炬功率大于200kW。
例如，所提供的等离子体炬功率大于1000kW。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.6重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.5重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.4重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.3重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.2重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.1重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.01重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至小于约0.7重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至小于约0.5重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至小于约0.3重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.1重量％至小于约0.3重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.15重量％至小于约0.25重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至约0.7重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.1重量％至约0.6重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.05重量％至约0.6重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至约0.5重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.05重量％至约0.5重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.1重量％至约0.5重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至约0.4重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.05重量％至约0.4重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.1重量％至约0.4重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至约0.3重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.05重量％至约0.3重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.1重量％至约0.3重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.15重量％至约0.25重量％。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约500ppm。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约400ppm。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约300ppm。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约200ppm。
例如，石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约100ppm。
例如，据通过气相色谱质谱法(GC/MS)或通过根据ASTM D7771-11的Soxhlet提取法测量，石墨烯纳米片的多芳烃浓度低于检测限。
例如，所述方法可以在含碳物质的注入角度下进行，该注入角度相对于等离子体的对称轴为约10度至约40度、约20度至约30度或约25度。
例如，所述方法可以在含碳物质的注入角度下进行，该注入角度相对于等离子体的对称轴为约15度至约35度、约20度至约30度或约25度。
例如，所述方法可以使用包含用于注入含碳物质的多孔注入器的等离子体炬进行，其中对于每个注入器孔，注入速度为至少60m/s STP，并且注入角度相对于等离子体的对称轴为约15度至约35度。
例如，所述方法可以使用包含用于注入含碳物质的多孔注入器的等离子体炬进行，其中对于每个注入器孔，注入速度为至少60m/s STP，并且注入角度相对于等离子体的对称轴为约20度至约30度。
例如，所述方法可以使用包含用于注入含碳物质的多孔注入器的等离子体炬进行，其中对于每个注入器孔，注入速度为至少60m/s STP，并且注入角度相对于等离子体的对称轴为约25度。
例如，根据本发明的实施方式，热生成的石墨烯碳粒子以如美国专利No.8,486,363、8,486,364和9,221,688中公开的系统和方法生产，这些专利通过引用并入本文中。
以下实施例是非限制性的，并用于更好地举例说明本公开的材料和方法。
实施例
实施例1
在一个示例性实施方式中，烃前体材料是甲烷，并用60kW的最大屏极功率将其注入电感耦合等离子体炬(ICP)中。图4示出了ICP炬100以及包括不含碳气体和含碳物质的气体的定性流动。
对于向电感耦合等离子体炬(PN-50型，Tekna，Sherbrooke，Québec，加拿大)输送56kW的发电机，并且如图4所示，使用20slpm氩气作为中心旋流气体128，其被由174slpm氩气和30slpm的氢气组成的淬冷气体(鞘流气体)层124包围。通过具有设计的喷嘴的注入器探头110注入33.6slpm的天然气(碳进料气体)120。传导射频交流电的线圈122产生等离子体。在等离子体炬内部显示了定性的等温线126。反应器中的压力为500托。注入速度在标准温度和压力(STP)下为80.6m/s。应当理解，在极端温度和压力的等离子体状态下，这些气体注入速度更大并且该值必须加以校正以考虑不同的温度和压力值。本领域技术人员将理解，当方法规模放大时，例如对于更大的等离子体体积或更大的等离子体炬尺寸，该注入速度值将增加。
该过程持续45分钟，并据从热等离子体区下游收获的粉末的重量除以合成该粉末所需的操作时间来度量，得到石墨烯生产率为225g/h。
注入的碳是33.6slpm/22.4l＝1.5mol/min或18g/min的碳
淬冷气体与碳之比为至少120升STP的非碳气体STP比1摩尔的碳(也是至少180slpm的非碳气体比18g/min的碳；10.0升的非碳气体/1g气体形式的碳)。
对于输送的炬功率为56kW而言，每单位功率注入的碳通常为33.6slpm，相当于0.6slpm C/kW炬功率。
现在参考图1A和图1B，所使用的注入器是包含五个注入孔12的多孔喷嘴10，每个孔直径为0.052英寸。喷嘴10包含烃进料通道16，并且喷嘴14的表面垂直于注入孔12。这种构造提供了80.6m/s STP的注入速度。碳气体注入角度相对于等离子体的对称轴为25度。本领域技术人员将理解，水冷注入喷嘴将提供更长的耐磨性并且能够在稳定的操作条件下进行长时间的生产运行。
从拉曼光谱可以看出(如图2所示)，所生成的产物是高质量的石墨烯纳米片。当使用514nm的入射波长测量时，产物的拉曼光谱特征为2D/G比为1.3且G/D比为4.7。使用这些参数产生的石墨烯纳米片含有0.16重量％的多环芳烃(PAH)(据通过用甲苯的Soxhlet提取测量)并通常含有0.15重量％至0.25重量％的PAH。石墨烯纳米小板的B.E.T.比表面积为302m2/g。一旦使用临时专利申请U.S.62/457,472中描述的热处理除去PAH后，材料的比表面积(使用B.E.T.法)为431m2/g。
为了限制在热区中的停留时间，将碳前体以至少60m/s STP、通常80m/sSTP、甚至100m/s STP的高速度注入。这可以通过以大于或等于等离子体气体速度的注入速度，通过具有小孔的喷头型喷嘴注入气体材料、例如天然气来实现。与小孔耦合的高进料速率导致高注入速度和在热区中的短停留时间。
实施例2：反例
相反，使用与上面实施例1中描述的相似参数，但使用单孔喷嘴以低于60m/sSTP的注入速度注入甲烷，产生可观部分的碳结节和球状碳粒子，导致乙炔黑的典型拉曼光谱(如图3所示)。图5示出了在该反例中使用的ICP炬200以及包含不含碳气体和含碳物质的气体的定性流动。
在该实施例中，如图5所示，使用28.6m/s STP的注入速度。碳前体气体进料速率为34.7slpm CH4，实现的生产率为142g/h。使用20slpm的氩气作为中心旋流气体228，其被由125slpm的氩气和8slpm的氢气组成的淬冷气体(鞘流气体)层224围绕。其他方面使用与实施例1中相同的方法和设备。碳前体气体220通过没有设计的喷嘴的注入器探头210(例如，具有单孔喷嘴)注入。传导射频交流电的线圈222产生等离子体。在等离子体炬内部显示了定性等温线226。
使用这些参数产生的石墨烯纳米片含有0.7重量％至1.2重量％的多环芳烃(PAH)(据通过用甲苯的Soxhlet提取测量)。所生成的材料呈现150m2/g的低比表面积(B.E.T.)和厚石墨结节特征性的拉曼光谱而不是细石墨粒子(图3)。当使用514nm的入射波长测量时，所生成的粒子表现出拉曼G/D比为1.1且2D/G比为0.5。如图5所示，碳前体经由没有设计的喷嘴的单孔探头注入热区，因此导致在热区的停留时间较长，淬冷效率差，因此形成乙炔型炭黑(例如不是石墨烯)。碳前体气体相对于等离子体的对称轴以零度角注入。
本公开的段落[0032]至[00183]的实施方式在本公开中以这样的方式呈现，从而表明在可适用时实施方式的所有可能组合。因此，这些实施方式在说明书中以等同于对根据任何前述权利要求的所有实施方式形成从属权利要求的方式呈现(覆盖先前介绍的实施方式)，从而表明它们可以按所有可能的方式组合在一起。例如，在适用时，段落[0032]至[00183]的实施方式与段落[0012]至[0031]的方法之间的所有可能组合在此都被本公开覆盖。
权利要求的范围不应受本公开中提供的具体实施方案和实施例的限制，而应给予与本公开整体一致的最广泛的解读。
参考文献
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E.W.Lemmon和R.T Jacobsen,International Journal of Thermophysics,Vol.25(2004)21-68.

Claims (45)

1.一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s标准温度和压力(STP)的速度将含碳物质通过等离子体炬的注入喷嘴注入等离子体的热区中，以使所述石墨烯纳米片成核，
在所述等离子体炬内且与所述含碳物质分开地注入淬冷气体，并且
用不超过1000℃的淬冷气体使所述石墨烯纳米片淬冷，
其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至小于约0.5重量％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至小于约0.3重量％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.1重量％至小于约0.3重量％。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述含碳物质以约100slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟至约125slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.15重量％至小于约0.25重量％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯纳米片用温度低于600℃的淬冷气体淬冷。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯纳米片用温度低于300℃的淬冷气体淬冷。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳物质以至少50slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳物质以至少160slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳物质以至少250slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳物质以约50slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟至约125slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳气体是C1-C4烃。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳物质是甲烷或天然气。
15.根据权利要求1所述的方法，其中对于每kW供应的等离子体炬功率，所述淬冷气体以1-10slpm气体的速率进给。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述热区的温度为约4000℃至约11 000℃。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述热区的温度为约2600℃至约5000℃。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳物质以约60m/s STP至约100m/s STP的速度注入。
19.一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s STP的速度并且以至少75每分钟标准升(slpm)淬冷气体/摩尔注入碳/分钟的淬冷气体与碳之比，将由含碳物质组成的至少一股喷射流通过注入喷嘴注入等离子体的热区中，由此产生所述石墨烯纳米片，
其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
20.一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
将含碳物质通过等离子体炬的注入喷嘴注入等离子体的热区中，所述含碳物质的所述注入使用多个喷射口以至少60m/s STP的速度进行并被引导为，使得所述注入的含碳物质围绕炬轴线径向分布并在到达在所述等离子体炬内且与所述含碳物质分开地注入的淬冷气体之前被稀释，由此产生据使用514nm的入射激光波长测量为拉曼G/D比大于或等于3且2D/G比大于或等于0.8的所述石墨烯纳米片。
21.一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
以至少60m/s的速度并以大于35kW的供应的等离子体炬功率将含碳物质通过等离子体炬的注入喷嘴注入等离子体的热区中，由此以至少80g/h的速率产生所述石墨烯纳米片，
其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％，并且
其中在所述等离子体炬内且与所述含碳物质分开地注入淬冷气体。
22.一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
产生包含热区的惰性气体等离子体，所述等离子体由电离的惰性气体组成；
将含碳物质以至少60m/s STP的速度通过注入喷嘴注入所述等离子体的所述热区中，由此以至少2g/kWh所供应的等离子体炬功率的速率产生所述石墨烯纳米片，
其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
23.根据权利要求22所述的方法，其中将所述石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以至少3slpm所述淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
24.根据权利要求22所述的方法，其中将所述石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以约0.5slpm所述淬冷气体/kW供应的炬功率至约1.5slpm所述淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
25.根据权利要求22所述的方法，其中所述石墨烯纳米片用温度低于900℃的淬冷气体淬冷。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述含碳物质以约100slpm所述淬冷气体/摩尔碳/分钟至约250slpm所述淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
27.一种用于生产石墨烯纳米片的等离子体方法，所述方法包括：
产生包含热区的惰性气体等离子体，所述等离子体由电离的惰性气体组成；
以至少60m/s STP的速度并且以至少1.25slpm的淬冷气体/kW供应的等离子体炬功率的淬冷气体与供应的等离子体炬功率之比，将含碳物质通过注入喷嘴注入所述等离子体的所述热区中，由此产生所述石墨烯纳米片，
其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度小于约0.7重量％。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.01重量％至小于约0.5重量％。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述石墨烯纳米片的多环芳烃浓度为约0.1重量％至小于约0.3重量％。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述石墨烯纳米片用温度低于1300℃的淬冷气体淬冷。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述石墨烯纳米片用温度低于100℃的淬冷气体淬冷。
32.根据权利要求27所述的方法，其中所述含碳物质以至少160slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
33.根据权利要求27所述的方法，其中所述含碳物质以至少250slpm淬冷气体/摩尔碳/分钟的淬冷气体与碳之比注入。
34.根据权利要求27所述的方法，其中所述石墨烯纳米片以约120g/h至约150g/h的速率产生。
35.根据权利要求27所述的方法，其中所述石墨烯纳米片以约150g/h至约250g/h的速率产生。
36.根据权利要求27所述的方法，其中所述含碳气体是C1-C4烃。
37.根据权利要求27所述的方法，其中所述含碳物质是甲烷或天然气。
38.根据权利要求27所述的方法，其中对于每kW供应的等离子体炬功率，所述淬冷气体以1-10slpm气体的速率进给。
39.根据权利要求27所述的方法，其中所述供应的等离子体炬功率大于100kW。
40.根据权利要求27所述的方法，其中所述含碳物质的注入角度相对于所述等离子体的对称轴为约15度至约35度。
41.根据权利要求27所述的方法，其中所述方法使用包括用于注入所述含碳物质的多孔注入器的等离子炬进行，其中对于每个注入器孔，注入速度为至少60m/s STP，并且注入角度相对于所述等离子体的对称轴为约15度至约35度。
42.根据权利要求27所述的方法，其中将所述石墨烯纳米片用淬冷气体淬冷，所述淬冷气体以约1.5slpm所述淬冷气体/kW供应的炬功率至约4slpm所述淬冷气体/kW供应的炬功率的速率进给。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述淬冷气体包括氩气。
44.根据权利要求27所述的方法，其中所述含碳物质以约60m/s STP至约100m/s STP的速度注入。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述供应的等离子体炬功率大于200kW。
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