ES2963073T3 - Proceso para la fabricación de grafeno usando tecnología de plasma - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un proceso, reactor y sistema para producir nanoestructuras bidimensionales autónomas, utilizando un entorno de plasma excitado por microondas. El proceso se basa en inyectar, en un reactor, una mezcla (9) de gases y precursores en régimen de corriente. La corriente es sometida a un campo eléctrico de onda superficial (5), excitado mediante el uso de potencia de microondas (7) que se introduce en un aplicador de campo (6), generando plasmas de alta densidad energética (2,3,4), que se rompen. los precursores en sus constituyentes atómicos y/o moleculares. El sistema comprende un reactor de plasma con una zona de lanzamiento de ondas superficiales, una zona transitoria con un área de sección transversal progresivamente creciente y una zona de nucleación. El reactor de plasma junto con una fuente de radiación infrarroja (11) proporciona un ajuste controlado de los gradientes espaciales, de la temperatura y de la velocidad de la corriente de gas. La mayoría de las muestras de nanoestructuras bidimensionales obtenidas tienen un espesor de una sola capa atómica, además el proceso y el sistema permiten obtener tasas de producción de grafeno del orden de un gramo por hora y superiores. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso para la fabricación de grafeno usando tecnología de plasma

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a un proceso para la fabricación de grafeno usando tecnología de plasma, en particular plasma de microondas.

Antecedentes de la invención

Actualmente, el desarrollo de nuevas nanoestructuras bidimensionales se considera una de las áreas de investigación en ciencia y tecnología que presenta mayor demanda y, como tal, con mayor valor estratégico.

El grafeno es el ejemplo más eminente de nanoestructura bidimensional (basada en carbono) con una demanda creciente, ya que posee muchas propiedades extraordinarias, con aplicaciones potenciales en numerosas disciplinas científicas y de ingeniería.

Sin embargo, el rendimiento mecánico, óptico y eléctrico del grafeno depende crucialmente de sus características estructurales, es decir, el número de monocapas (cuyo crecimiento limita las propiedades mecánicas cuánticas deseables), la presencia de carbonos sp3, defectos, etc.

Actualmente, los procesos usados para la producción de grafeno se basan en uno de dos enfoques diferentes, en adelante denominados "de arriba hacia abajo" o "de abajo hacia arriba".

Se puede obtener grafeno de la más alta calidad exfoliando mecánicamente grafito pirolítico altamente orientado; este proceso puede considerarse el ejemplo más común del enfoque "de arriba hacia abajo". Sin embargo, este proceso conduce a tasas de producción relativamente bajas (alrededor de 1 mg/h), en comparación con el nivel de referencia para aplicaciones industriales (alrededor de 1 g/h).

La producción de óxido de grafeno a partir de grafito, seguida de la reducción térmica del óxido de grafeno, es un segundo ejemplo de una estrategia de producción "de arriba hacia abajo", que a pesar de tener tasas de producción mucho más altas (más de 1 g/h), conduce a un producto muy defectuoso (S. Mao, H. Pu, J. Chen, "Graphene oxide and its reduction: modeling and experimental progress" 2012 RSC Adv. progress 22643).

Los enfoques "de abajo hacia arriba" incluyen el crecimiento epitaxial, la deposición química de vapor (CVD) y la grafitización al vacío de sustratos de carburo de silicio, entre otros. Estas técnicas presentan varios inconvenientes, como la degradación de las propiedades de las nanoestructuras debido a la interferencia de los metales de transición, la necesidad de usar catalizadores caros (Fe, Co, Cu, Ni, etc.), las altísimas temperaturas de procesamiento, la duración y complejidad de los procedimientos de producción, el uso de productos químicos peligrosos y, sobre todo, el control muy limitado sobre el proceso de ensamblaje de las nanoestructuras (E. Tatarova et al, "Plasmas for Environmental Issues: From hydrogen production to 2D materials assembly" 2014 Plasma Sources Sci. Technol. 23 063002-063054).

Por lo tanto, las técnicas existentes aún no son capaces de proporcionar nanoestructuras bidimensionales con propiedades fisicoquímicas y estructurales predefinidas y bien controladas, y al mismo tiempo garantizar tasas de producción adecuadas para aplicaciones industriales.

A las limitaciones anteriores, cabe añadir que los enfoques "de abajo hacia arriba" del estado de la técnica generalmente requieren el uso de un sustrato, que consiste en una superficie sólida, lo que puede limitar el éxito de las aplicaciones previstas.

Por ejemplo, cuando el objetivo es la creación de dispositivos de almacenamiento y conversión de energía, o el desarrollo de nuevos materiales compuestos, el uso de estructuras de grafeno autónomas (es decir, sin sustratos de soporte) es una alternativa más atractiva a dichos grafenos horizontales y grafenos soportados por sustratos, donde un lado de la lámina de grafeno se implanta sobre una superficie de sustrato sólido.

De hecho, en términos de aplicaciones, los grafenos autónomos tienen la ventaja obvia de poder usar ambas superficies y al menos tres bordes abiertos, mientras que los grafenos unidos a sustrato usan solo una superficie.

Recientemente, los plasmas de microondas se han usado en la técnica de "aerosol a través de plasma" (un enfoque "de abajo hacia arriba") para producir una multitud de nanoestructuras autónomas que son de interés en muchos campos (J. Phillips, D. Mendoza, C.-K. Chen, "Method for producing metal oxide nanoparticles" 2008 Patente de EE.Uu .7,357,910 B2), incluido el grafeno (J. Phillips, CC. Luhrse, M. Richard 2009 IEEE Trans. Plasma Sci. 37726).

En el trabajo de Dato et al, "Substrate-Free Gas-Phase Synthesis of Graphene Sheets" 2008 Nano Letters 82012 se ha demostrado que es posible producir grafeno de forma autónoma, sin necesidad de usar materiales o sustratos tridimensionales.

Sin embargo, cabe destacar que este trabajo mantiene otras limitaciones mencionadas anteriormente, a saber, la baja pureza de las nanoestructuras producidas, de las cuales sólo algunas son láminas de grafeno constituidas por dos o tres capas de carbono (las restantes corresponden a otros alótropos de carbono), y la baja tasas de producción alcanzadas (aproximadamente 1 mg/h).

Para controlar el número de monocapas atómicas y la calidad estructural (defectos, impurezas, etc.) de las nanoestructuras bidimensionales producidas, se propuso un novedoso proceso asistido por plasma de microondas que permite seleccionar el producto final de forma determinista.

Este proceso, que se usó para producir láminas de grafeno autónomas, se basa en la inyección de un precursor líquido, como el etanol, a través de un plasma de argón de microondas, donde se produce la descomposición del etanol. Los átomos y moléculas de carbono, producidos por el plasma en fase gaseosa, se difunden hacia zonas más frías del sistema, donde se agregan en núcleos de carbono sólidos.

Este proceso se describe en los siguientes trabajos: E. Tatarova, J. Henriques, C.C. Luhrs, A. Dias, J. Phillips, M.V. Abrashev, C.M. Ferreira, "Microwave plasma based single step method for free standing graphene synthesis at atmospheric conditions" 2013 Appl. Phys. Lett. 103 134101-5; E. Tatarova, A. Dias, J. Henriques, A.M. Botelho do Rego, A.M. Ferraria, M.V. Abrashev, C.C. Luhrs, J. Phillips, F.M. Días, C.M. Ferreira, "Microwave plasmas applied for the synthesis of free standing graphene sheets" 2014 J. Phys D: Appl. Física. 47385501-512.

Estos trabajos resuelven parcialmente el problema de la producción simultánea de los diferentes alótropos de carbono (limitados a aproximadamente 30% del total de nanoestructuras producidas), permitiendo producir láminas de grafeno con una alta calidad estructural (1-3 capas atómicas) comparable a la de los materiales de grafeno disponibles en el mercado pero con la ventaja de ser autónomas, es decir con la ventaja de no tener sustrato de soporte, como se mencionó anteriormente.

Sin embargo, estas propuestas no han solucionado otros problemas mencionados anteriormente, como la baja tasa de producción de grafeno, de aproximadamente 0,5 mg/h, y el nivel de pureza relativamente bajo del producto obtenido, que se produce con oxígeno incorporado.

Por lo tanto, existe una necesidad en la técnica de un proceso, así como de un reactor y un sistema para la producción de nanoestructuras bidimensionales autónomas que resuelvan los problemas mencionados anteriormente de la técnica anterior.

En particular, es necesario un proceso de producción de nanoestructuras bidimensionales autónomas y un reactor y sistema para implementar ese proceso, que sean capaces de proporcionar mayores niveles de pureza de las nanoestructuras resultantes, así como mejores tasas de producción industrial.

Objetivos, ventajas y funcionalidades adicionales de la presente invención se expondrán en la siguiente descripción y pueden desarrollarse y mejorarse naturalmente con el uso práctico.

Los objetivos de la presente invención se logran mediante el proceso reivindicado en las reivindicaciones independientes adjuntas, usándose las reivindicaciones dependientes para definir realizaciones particulares de la presente invención.

Compendio de la invención

La presente invención se refiere a un proceso de producción de grafeno, caracterizado en que comprende las etapas de:

(a) producir una corriente de una mezcla de al menos un gas inerte y al menos un precursor de grafeno,

(b) descomponer el precursor, de la corriente de la etapa anterior, en sus constituyentes atómicos y moleculares mediante un plasma de microondas,

(c) exponer los constituyentes precursores formados en la etapa anterior a radiación infrarroja y, posteriormente,

(d) recoger las nanoestructuras resultantes de la nucleación de constituyentes precursores.

En una realización, el proceso comprende además someter los constituyentes precursores a radiación ultravioleta en la etapa c), en donde la radiación ultravioleta se genera mediante una fuente de radiación ultravioleta que funciona en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W y 3000 W, preferiblemente entre 100 W y 2500 W, más preferiblemente entre 150 W a 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W a 1500 W.

En otra realización, el proceso comprende además, entre la etapa (a) y la etapa (b), un enfriamiento de dicha corriente por medio de un dispositivo de enfriamiento que funciona en un intervalo de temperatura comprendido entre 40 a 220 °C, preferiblemente entre 40 y 200 °C, más preferiblemente entre 40 a 180 °C, lo más preferiblemente entre 40 a 150 °C.

En un aspecto, dicha corriente producida en la etapa (a) tiene un caudal comprendido entre 4,2*10-6 y 8,3*10-4 m3/s, preferiblemente entre 8,3*10-6 y 3,3*10-4 m3/s, más preferiblemente entre 1,7*10-5 y 1,7*10-4 m3/s.

En otro aspecto, dicho gas inerte de la mezcla de la etapa (a) se selecciona del grupo que consiste en helio, neón, argón, criptón, xenón y combinaciones de los mismos; y el precursor se selecciona del grupo que consiste en metano, etileno, etanol, metanol, propanol, butanol, acetileno y combinaciones de los mismos.

Dicho plasma de microondas se genera por una fuente de microondas que funciona en un intervalo de potencia de 100 W a 60000 W.

Dicha radiación infrarroja se genera mediante una fuente de radiación infrarroja (11) que funciona en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W a 3000 W, preferiblemente entre 100 W a 2500 W, más preferiblemente entre 150 W a 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W a 1500 W.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos y fotografías adjuntos ilustran realizaciones ejemplares y resultados típicos de la presente invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.

Las Figs. 1 a 3 muestran dibujos en sección transversal longitudinal de un sistema que no forma parte de la invención, mostrando también algunas características físicas relacionadas con el proceso de producción de nanoestructuras autónomas, como por ejemplo los gradientes de temperatura del gas (13, 15, 16) dentro del reactor (Fig. 2) también denominado (T1, T2 y T3); y gradientes de velocidad del gas (17, 18) (Fig. 3), cuyo control permite seleccionar la producción de nanoestructuras bidimensionales autónomas según la invención.

La Fig. 4 muestra una representación esquemática de una unidad de inyección ejemplar del reactor de plasma que no forma parte de la invención.

La Fig. 5 muestra un ejemplo de una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM), obtenida usando el resultado de la síntesis selectiva de láminas de grafeno, con una barra de escala de 100 nm, controlada con fuertes gradientes axiales de temperatura y velocidad. Esta imagen con un aumento de 40000* se obtuvo en modo SEI con electrones secundarios y con un voltaje de trabajo aplicado de 15,0 kV.

La Fig. 6 muestra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), obtenida usando láminas de grafeno sintetizadas mediante el proceso de la presente invención. Como se ve en la imagen, con una barra de escala de 10 nm, estas láminas de grafeno tienen ventajosamente sólo unas pocas capas, muchas de ellas son monocapas identificadas por las flechas.

La Fig. 7 muestra un ejemplo de una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM), con una barra de escala de 100 nm, obtenida usando el resultado de la síntesis no selectiva del estado de la técnica de nanoestructuras de carbono (nanopartículas de carbono, nanoláminas de grafeno y nanodiamantes), adoptando condiciones de gradientes axiales de temperatura/velocidad incontrolados y/o reducidos. La imagen tiene un aumento de 40000* y se obtuvo en modo SEI con electrones secundarios y un voltaje de trabajo aplicado de 15,0 kV.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere a un proceso que usa plasmas de microondas para producir selectivamente nanoestructuras bidimensionales autónomas, que están ventajosamente constituidas únicamente por unas pocas capas atómicas y creadas en forma de escamas en suspensión, con velocidades de producción del orden de un gramo por hora (1 g/h).

El proceso de la invención permite, mediante el seguimiento de las condiciones de operación, la producción selectiva de nanoestructuras, es decir, la generación de un único alótropo atómico monocapa bidimensional.

Las Figs. 5 y 6 muestran ejemplos de nanoestructuras producidas de acuerdo con la presente invención, la Fig. 5 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de nanoláminas de grafeno en forma de escamas, y la Fig. 6 muestra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) de nanoláminas de grafeno con solo unas pocas monocapas. Los resultados presentados en estas figuras se lograron mediante la aplicación del proceso de la invención, lo que permitió seleccionar el producto final de forma determinista.

Por otro lado, la Fig. 7 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM), obtenida usando condiciones de producción no selectivas según un proceso de la técnica anterior, donde se pueden distinguir varias nanoestructuras de carbono, como nanopartículas de carbono, nanoláminas de grafeno y nanodiamantes.

Tenga en cuenta que, si bien los ejemplos presentados en la presente memoria se refieren a la producción de grafeno, el proceso de la presente invención se puede usar para producir otras nanoestructuras bidimensionales, como derivados del grafeno (por ejemplo, N-grafeno, F-grafeno), germaneno (el homólogo bidimensional del germanio), nitruro de boro hexagonal, entre otros.

En el contexto de la presente invención, el término "nanoestructuras bidimensionales" se refiere a láminas de espesor nanométrico que consisten en un número limitado (típicamente entre 1 y 3) de capas atómicas.

El término "nanoestructuras autónomas" se refiere a nanoestructuras independientes capaces de soportar su propio peso sin deteriorarse, y que se crean en forma de escamas en suspensión, sin necesidad de usar sustratos de soporte.

El término "corriente" se refiere a un fluido en movimiento.

La expresión "plasma de microondas" se refiere a un gas ionizado, generado mediante la aplicación de un campo eléctrico de una onda superficial excitada por la energía de las microondas. La onda superficial se propaga en la interfaz entre el plasma y un medio dieléctrico, donde el campo eléctrico tiene máxima intensidad. Al propagarse, la onda superficial crea un plasma y genera de forma autoconsistente su propia estructura de propagación.

Por “precursor” se entiende un producto atómico o molecular que constituye la materia prima para la construcción de nanoestructuras.

Por "constituyentes precursores" se entiende los elementos químicos de los que está hecho el precursor, es decir, uno o más de los siguientes elementos químicos: carbono, boro, germanio, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y flúor.

Por "nucleación de constituyentes precursores" o simplemente "nucleación" se entiende la etapa en la que conjuntos de uno o más constituyentes precursores dispersos en el gas inerte se unen en aglomerados, en escala nanométrica.

Por producción "selectiva" se entiende la selección determinista del producto final deseado, evitando por ejemplo la aparición de variantes alotrópicas. Es decir, la producción controlada de un solo tipo de alótropo para el cual se han definido los respectivos parámetros operativos, a saber, caudal, potencia de microondas y potencia de la fuente de radiación infrarroja.

Tenga en cuenta que, independientemente de la presentación explícita de la expresión cuantitativa "aproximadamente X", cualquier valor de X presentado en el curso de la presente descripción debe interpretarse como un valor aproximado del valor de X real, ya que dicha aproximación al valor real sería razonablemente esperada debido a condiciones experimentales y/o de medición que introducen desviaciones del valor real.

En el contexto de la presente descripción, el término "que comprende" y sus variaciones verbales deben entenderse como "que incluye, entre otros". Como tal, el término no debe interpretarse como "que consiste únicamente en".

En el contexto de la presente solicitud, el uso de la expresión "y/o" pretende significar que se cumplen ambas condiciones o que sólo se produce una de ellas. Por ejemplo, el término "dispositivo de enfriamiento y/o fuente de radiación ultravioleta" significa "dispositivo de enfriamiento y fuente de radiación ultravioleta" o "dispositivo de enfriamiento" o "fuente de radiación ultravioleta".

El proceso de la invención para la producción de nanoestructuras bidimensionales autónomas mediante el uso de tecnología de plasma comprende las siguientes etapas:

(a) producir una corriente de una mezcla de al menos un gas inerte y al menos un precursor,

(b) descomponer el precursor en sus constituyentes atómicos y moleculares mediante un plasma de microondas, creándose dicho plasma a partir de la corriente de la mezcla de la etapa anterior,

(c) exponer los constituyentes precursores formados en la etapa anterior a radiación infrarroja y, posteriormente,

(d) recoger las nanoestructuras resultantes de la nucleación de constituyentes precursores.

En la etapa a) de producción de una corriente, el gas inerte se selecciona del grupo que comprende helio, neón, argón, criptón, xenón o una mezcla de los mismos, y el precursor puede tener una composición química que contiene uno o más de los siguientes elementos: carbono, boro, germanio, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y flúor. A modo de ejemplo se pueden usar precursores gaseosos como metano, etileno, acetileno o diborano; o precursores líquidos, como etanol, propanol, butanol o metanol, o precursores sólidos como, por ejemplo, monóxido de germanio o dióxido de germanio.

La mezcla de gases y precursores puede inyectarse en régimen de corriente, por ejemplo en una parte de admisión (8) de un reactor, con caudal comprendido entre 4,2*10'6 y 8,3*10'4 metros cúbicos estándar por segundo (m3/s), preferiblemente entre 8,3*10'6 y 3,3*10'4 m3/s, más preferiblemente entre 1,7*10'5 y 1,7*10'4 m3/s.

Dicha corriente está expuesta a un campo eléctrico de alta frecuencia, con una frecuencia que oscila de 10 MHz a 28 GHz, preferiblemente de 100 MHz a 14 GHz, más preferiblemente de 500 MHz a 3 GHz, lo más preferiblemente 2,45 GHz, perteneciente a una onda superficial (5), excitado por potencia de microondas (7), con una potencia que oscila de 100 a 60000 W, preferiblemente de 500 y 10000 W, más preferiblemente de 1000 a 6000 W, lo más preferiblemente de 2000 a 6000 W.

Esta potencia de microondas (7) se aplica, por ejemplo, mediante un aplicador de campo (6), para generar un plasma de alta densidad energética (entre 0,1 y 1 GW/m3) (2,3,4) que descompone el precursor o precursores presentes en la corriente en sus constituyentes atómicos y moleculares.

Los constituyentes atómicos y moleculares de los precursores fluyen desde la zona de plasma caliente (20'), donde se produjeron en fase gaseosa, hasta una zona de nucleación más fría (21'), donde las nanoestructuras bidimensionales se producen y crecen de forma autónoma.

El control de los gradientes espaciales, de la temperatura y de la velocidad de la corriente de la mezcla de gases, permite producir selectivamente las nanoestructuras bidimensionales deseadas.

El ajuste de estos gradientes espaciales se consigue aplicando, por ejemplo alrededor del reactor, una fuente de radiación infrarroja (11) y opcionalmente, un dispositivo de enfriamiento (10) y/o una fuente de radiación ultravioleta.

En una realización del proceso de la invención, los constituyentes precursores se someten además a radiación ultravioleta en la etapa (c). La radiación ultravioleta se genera mediante una fuente de radiación ultravioleta que funciona en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W y 3000 W, preferiblemente entre 100 W y 2500 W, más preferiblemente entre 150 W y 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W y 1500 W.

Además, la corriente puede someterse, entre la etapa (a) y la etapa (b), a un enfriamiento mediante un dispositivo de enfriamiento que funciona en un intervalo de temperatura comprendido entre 40 y 220 °C, preferiblemente entre 40 y 200 °C, más preferiblemente entre 40 y 180 °C, lo más preferiblemente entre 40 y 150 °C.

En una realización preferida del proceso, en la etapa (c) se aplican tanto radiación infrarroja como ultravioleta, así como el enfriamiento de la corriente entre la etapa (a) y la etapa (b).

Sorprendentemente, la aplicación de radiación infrarroja proporciona nanoestructuras de alta calidad, claramente por encima del estado de la técnica. Sin pretender teorizar, la radiación infrarroja parece intervenir favorablemente en el control del número de monocapas por lámina y del porcentaje de enlaces de carbono sp3.

La radiación infrarroja requerida para el proceso se genera mediante una fuente de radiación infrarroja (11) que funciona en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W y 3000 W, preferiblemente entre 100 W y 2500 W, más preferiblemente entre 150 W y 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W a 1500 W.

La combinación de radiación ultravioleta con radiación infrarroja proporciona resultados aún mejores, dicha combinación parece intervenir para mejorar la eficiencia de eliminación de los grupos de oxígeno que están adheridos a la estructura del grafeno, contribuyendo a mejorar aún más la calidad del producto final.

El gradiente espacial de temperatura del gas oscila de 15.000 K/m a 75.000 K/m, y la temperatura de la pared del reactor oscila de 300 K a 1200 K.

Después de la nucleación de los componentes precursores, las nanoestructuras sólidas se recogen, por ejemplo, en un dispositivo filtrante de membrana (22).

En resumen, el proceso de la invención se basa en inyectar en un reactor de plasma de microondas una mezcla (9) de al menos un gas inerte y al menos un precursor en régimen de corriente.

La corriente se somete a un campo eléctrico de onda superficial (5), excitado mediante el uso de potencia de microondas (7) que se introduce, por ejemplo, en un aplicador de campo (6), generando plasmas de alta densidad energética (2,3,4) que descomponen el precursor en sus constituyentes atómicos y/o moleculares. Estos constituyentes precursores producidos en fase gaseosa por el plasma en las zonas del reactor (19', 20') (ver la Fig. 2) se difunden a una zona de nucleación del reactor (21'), donde se agregan en nanoestructuras sólidas, que luego se recogen, por ejemplo, en un dispositivo filtrante de membrana (22).

Sorprendentemente, el uso de una fuente de radiación infrarroja (11) dispuesta en la referida zona de nucleación del reactor (21') proporciona nanoestructuras de alta calidad, permitiendo controlar el número de monocapas por lámina y el porcentaje de enlaces de carbono sp3.

El uso opcional de un dispositivo de enfriamiento (10) y/o de una fuente de radiación ultravioleta, proporciona un ajuste aún más controlado, de los gradientes espaciales, de la temperatura y de la velocidad de la corriente de la mezcla de gas y precursor, lo que contribuye favorablemente a la selección determinista del producto final deseado.

También se describe un reactor de plasma de microondas, que no forma parte de la invención, para la fabricación de nanoestructuras bidimensionales autónomas.

Con referencia a la Fig. 2, el reactor para la producción de nanoestructuras bidimensionales autónomas tiene un cuerpo hueco (1), cuyo cuerpo (1) comprende:

• una parte de lanzamiento de ondas superficiales de creación de plasma (19),

• una parte de nucleación de constituyentes precursores (21) y

• una parte transitoria (20) que tiene los extremos primero y segundo conectados, respectivamente, a la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) y a la parte de nucleación (21), proporcionando una comunicación fluida entre estas partes (19, 21),

en donde dichas partes (19, 20, 21) definen, respectivamente, en el reactor tres zonas internas (19', 20', 21') de operación, el reactor se caracteriza porque tiene un área de sección transversal más pequeña en el primer extremo de dicha parte transitoria (20) que en el segundo extremo.

El área de la sección transversal de la parte transitoria (20) aumenta progresivamente desde su primer extremo hasta su segundo extremo.

En un aspecto del reactor, dichas partes (19, 20, 21) están conectadas integralmente entre sí, formando una sola pieza.

En otro aspecto del reactor, su cuerpo hueco (1) comprende además una parte de admisión (8), para admitir una mezcla de al menos un gas inerte y al menos un precursor, estando la parte de admisión (8) integrada en la parte de lanzamiento de la onda superficial (19) o unida a la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) a través de las conexiones.

El cuerpo hueco del reactor (1) está formado por un material dieléctrico seleccionado del grupo que consiste en cuarzo, zafiro, alúmina y combinaciones de los mismos.

Durante el funcionamiento, dicha corriente de una mezcla de un gas y un precursor atraviesa varias zonas del reactor (19', 20', 21'), cuyo cuerpo hueco (1) tiene un área de sección transversal hueca creciente.

El proceso para producir nanoestructuras bidimensionales autónomas comienza en la zona (19') de menor área de sección transversal (a), donde se lanzan las ondas superficiales; siguiendo a una zona transitoria (20'), con un área de sección transversal que aumenta gradualmente, por ejemplo según la expresión matemática A = na (donde n representa la relación A/a con valores entre 1-20) (ver las Fig. 2 y 3); y finalmente a una zona de nucleación (21'), con un área de sección transversal (A) mayor que el área de sección transversal (a) de la zona (19').

Esta geometría del cuerpo del reactor (1) proporciona una reducción controlada de la velocidad y la temperatura de la corriente con un impacto positivo en la producción selectiva de las nanoestructuras bidimensionales deseadas, en particular en el aumento significativo de su tasa de producción.

También se describe un sistema de producción de nanoestructuras bidimensionales autónomas que no forma parte de la invención.

El sistema comprende:

• un reactor de plasma de microondas que tiene un cuerpo hueco (1) que comprende, al menos, una parte de lanzamiento de ondas superficiales (19), una parte transitoria de formación de plasma (20) y una parte de nucleación (21) de constituyentes precursores; dichas partes (19, 20, 21) definen respectivamente en el reactor tres zonas internas (19', 20', 21') de operación que están conectadas secuencialmente en comunicación fluida entre sí,

en donde el sistema comprende además

• al menos, una fuente de radiación infrarroja (11) en el exterior del cuerpo hueco (1) del reactor de plasma, dispuesta para irradiar dicha zona interior (21') definida por la parte de nucleación (21) del referido cuerpo del reactor (1)

La fuente de radiación infrarroja (11) funciona en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W y 3000 W, preferiblemente entre 100 W y 2500 W, más preferiblemente entre 150 W y 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W y 1500W.

En un aspecto del sistema, comprende además un dispositivo de enfriamiento (10) en el exterior del cuerpo hueco (1) del reactor de plasma, en donde el dispositivo de enfriamiento (10) está dispuesto para enfriar, al menos, la zona interior (20') definido por la parte transitoria (20) de dicho cuerpo de reactor (1).

El dispositivo de enfriamiento (10) puede funcionar en un intervalo de temperatura comprendido entre 40 y 220 °C, preferiblemente entre 40 y 200 °C, más preferiblemente entre 40 y 180 °C, lo más preferiblemente entre 40 y 150 °C.

En otro aspecto, el sistema comprende además una fuente de radiación ultravioleta en el exterior del cuerpo hueco (1) del reactor de plasma, dispuesta para irradiar, al menos, la zona interior (21') definida por la parte de nucleación (21) de dicho cuerpo del reactor (1). La fuente de radiación ultravioleta funciona en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W y 3000 W, preferiblemente entre 100 W y 2500 W, más preferiblemente entre 150 W y 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W y 1500 W.

Las partes (19, 20, 21) del cuerpo del reactor (1) pueden estar conectadas integralmente entre sí para formar una sola pieza.

Dicho cuerpo del reactor (1) de plasma de microondas está construido a partir de un material dieléctrico seleccionado del grupo que comprende cuarzo, zafiro, alúmina y materiales similares y combinaciones de los mismos.

En un ejemplo preferido del sistema, este se caracteriza en que comprende:

• Un reactor de plasma de microondas que tiene un cuerpo hueco (1) que comprende al menos:

una parte de lanzamiento de ondas superficiales de creación de plasma (19),

una parte de nucleación de constituyentes precursores (21) y

una parte transitoria (20) que tiene los extremos primero y segundo conectados, respectivamente, a la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) y a la parte de nucleación (21), proporcionando una comunicación fluida entre estas partes (19, 21),

en donde dichas partes (19, 20, 21) definen respectivamente en el cuerpo del reactor (1) tres zonas internas (19', 20', 21') de operación; y dicho primer extremo de la parte transitoria (20) tiene un área de sección transversal más pequeña que el área de sección transversal de dicho segundo extremo de la parte transitoria (20), y

• al menos, una fuente de radiación infrarroja (11) en el exterior de dicho cuerpo hueco del reactor (1), dispuesta para irradiar la zona interior (21') definida por la parte de nucleación (21) de dicho cuerpo del reactor (1).

En una variante del ejemplo de sistema anterior, además de la fuente de radiación infrarroja (11) en el exterior del cuerpo hueco (1), también puede estar dispuesto en el exterior del cuerpo del reactor (1) un dispositivo de enfriamiento (10), para enfriar, al menos, la zona interior (20') definida por la parte transitoria (20) de dicho cuerpo de reactor (1). Además del dispositivo de enfriamiento (10), o como alternativa a éste, también se puede disponer una fuente de radiación ultravioleta en el exterior del cuerpo hueco (1) del reactor de plasma, para irradiar, al menos, la zona interior (21') definida por la parte de nucleación (21) de dicho cuerpo de reactor (1).

En otra variante del ejemplo de sistema anterior, dichas partes (19, 20, 21) del cuerpo del reactor (1) están conectadas integralmente entre sí, formando una única pieza de material dieléctrico. Opcionalmente, las partes (19, 20, 21) del cuerpo del reactor (1) están conectadas entre sí mediante medios de conexión adecuados conocidos por un experto en la técnica.

Los siguientes son varios ejemplos de producción selectiva de nanoestructuras bidimensionales autónomas usando tecnología de plasma según la presente invención. Por supuesto, los ejemplos descritos a continuación no deben interpretarse como que constituyen ningún tipo de limitación al alcance de la presente invención, que se define en la reivindicación independiente.

Ejemplos

Los ejemplos 2, 3 y 5 se refieren a la producción de nanoestructuras bidimensionales autónomas distintas del grafeno que no son según la invención y están presentes únicamente con fines ilustrativos.

1. Para la producción de grafeno con una tasa de producción superior a 1 gramo por hora, se usa un reactor de plasma formado por un tubo de cuarzo que comprende una parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) con un radio interno de 18,0 mm, una parte transitoria (20), con un radio interno creciente, de 18,0 mm a 75,0 mm; y una pieza de nucleación (21), con un radio interno de 75,0 mm. En primer lugar, se produce una mezcla compuesta por etileno o acetileno como precursores, con una tasa de incorporación en la mezcla de 8,3*10'6 m3/s y argón como gas portador, con un caudal de 8,3*10'4 m3/s. Los caudales son monitorizan por un controlador acoplado a dos medidores de flujo. A continuación, se introduce dicha mezcla formada por etileno o acetileno y argón en régimen de corriente (12) a través de una conexión (14), usando una unidad de inyección (ver la Fig. 4), en una parte de admisión (8) del reactor, constituida por un tubo de cuarzo e instalado en la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19). Opcionalmente se podrá usar cualquier otro sistema de inyección de gas capaz de realizar esta función. Posteriormente, la corriente de dicha mezcla avanza a través de la parte (20) de una antorcha de plasma de microondas (5) inducido por una onda superficial a presión atmosférica. Esta antorcha de plasma comprende un generador de microondas, que funciona a una frecuencia de 2,45 GHz, un sistema de guía de ondas (7) que incluye un aislante, acopladores direccionales y un sintonizador, y un aplicador de campo tipo surfatrón (6). El sistema está cerrado por un componente ajustable que cortocircuita las microondas. La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 60 kW. La corriente es sometida a radiación infrarroja (IR), a través de una fuente de radiación infrarroja (11) que funciona con una potencia aplicada de 3000 W, junto con radiación ultravioleta (UV), que también funciona con una potencia aplicada de 3000 W. La radiación IR y UV está generada por una matriz de lámparas eléctricas. Las nanoestructuras de grafeno bidimensional así formadas se recogen mediante un dispositivo filtrante de membrana (22) acoplado a una bomba de vacío.

2. Para la producción de germaneno, con una tasa de producción superior a 2 miligramos por hora, se usa un reactor de plasma formado por un tubo de cuarzo que comprende una parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) con un radio interno de 18,0 mm, una parte transitoria (20), con un radio interno creciente, de 18,0 mm a 32,0 mm, y una parte de nucleación (21), con un radio interno de 32,0 mm. La mezcla usada está compuesta por un precursor sólido, en este caso monóxido de germanio, con una tasa de incorporación en la mezcla de 8,0 miligramos/hora y se usa argón como gas portador, con un caudal de 8,3 * 10'5 m3/s. Dicha mezcla se inyecta, en régimen de corriente (12), en una parte de admisión (8) del reactor, situada en la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19), pasando luego por la zona caliente (20') de una antorcha de plasma de microondas, generándose el plasma por una onda superficial (5) a presión atmosférica. La antorcha de plasma comprende un generador de microondas, que funciona a una frecuencia de 2,45 GHz, un sistema de guía de ondas (7) que incluye un aislante, acopladores direccionales y un sintonizador, y un aplicador de campo tipo surfatrón (6). El sistema está cerrado por un componente ajustable que cortocircuita las microondas. La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 6 kW. La temperatura de la pared del tubo de cuarzo se mantiene a 220 °C usando un dispositivo criostato (10). La corriente es sometida a radiación infrarroja (IR) generada por una matriz de lámparas eléctricas, con una potencia aplicada de 1000 W. Finalmente, las nanoestructuras bidimensionales se recogen mediante un dispositivo filtrante de membrana (22) acoplado a una bomba de vacío.

3. Para la producción alternativa de germaneno con una tasa de producción de más de 2 miligramos por hora, el sistema usa el montaje descrito anteriormente (ejemplo 2) con el radio más pequeño de 18,0 mm y el más grande de 32,0 mm. La mezcla usa está compuesta por un precursor sólido, en este caso dióxido de germanio, con una tasa de incorporación a la mezcla de 8,0 miligramos/hora, y como gas portador se usa argón, con un caudal de 8,3 * 10'5 m3/s. La antorcha de plasma usa es la misma descrita anteriormente (ejemplo 2), funcionando a la misma frecuencia de 2,45 GHz, y con el mismo tipo de aplicador de campo (6). La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 6 kW. La corriente se somete a radiación infrarroja (IR), generada por una matriz de lámparas eléctricas con una potencia aplicada de 1500 W. Finalmente, las nanoestructuras bidimensionales se recogen mediante un dispositivo filtrante de membrana (22) acoplado a una bomba de vacío.

4. Para la producción de grafeno con una tasa de producción de aproximadamente 0,1 gramos por hora, el sistema está compuesto por un reactor de plasma formado por un tubo de cuarzo que comprende una parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) con un radio interno de 7,5 mm, una parte transitoria (20), con un radio interno creciente, de 7,5 mm a 21,0 mm; y se usa una parte de nucleación (21), con un radio interno de 21,0 mm. El sistema funciona con una mezcla compuesta por un precursor gaseoso, en este caso metano, con una tasa de incorporación en la mezcla de 3,3*10'67 m3/s y se usa argón como gas portador, con un caudal de 6,7 * 10'5 m3/s. Los caudales se monitorizan por un controlador acoplado a dos medidores de flujo. Dicha mezcla se inyecta, en régimen de corriente, en una parte de admisión (8) del reactor situada en la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19), pasando luego por la zona caliente (20') de una antorcha de plasma de microondas, generada por una onda superficial (5) a presión atmosférica. La antorcha de plasma comprende un generador de microondas, que funciona a una frecuencia de 2,45 GHz, un dispositivo guía de ondas (7) que incluye un aislante, acopladores direccionales y un sintonizador, y un aplicador de campo tipo surfatrón (6). El sistema está cerrado por un componente ajustable que cortocircuita las microondas. La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 4 kW. La corriente se somete a radiación infrarroja (IR) generada por una matriz de lámparas eléctricas, con una potencia aplicada de 500 W. Finalmente, las nanoestructuras bidimensionales se recogen mediante un dispositivo filtrante de membrana (22) acoplado a una bomba de vacío.

5. Para la producción de nitruro de boro hexagonal con una tasa de producción de aproximadamente 20 miligramos por hora, el sistema usa el montaje descrito anteriormente (Ejemplo 4) con el radio interno más pequeño de 7,5 mm y el más grande de 21,0 mm. La mezcla usada está compuesta por un precursor gaseoso, en este caso diborano, con una tasa de incorporación en la mezcla de 1,7*10-7 m3/s y se usa argón como gas portador, con un caudal de 3,3 * 10'5 m3/s. La antorcha de plasma usada es la misma descrita anteriormente (ejemplo 4), que funciona a la misma frecuencia de 2,45 GHz, y con el mismo tipo de aplicador de campo (6). La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 2 kW. La corriente se somete a radiación infrarroja (IR), generada por una matriz de lámparas eléctricas, con una potencia aplicada de 1000 W. Finalmente, las nanoestructuras bidimensionales se recogen mediante un dispositivo filtrante de membrana (22) acoplado a una bomba de vacío.

6. Para la producción de grafeno con una tasa de producción de aproximadamente 2 miligramos por hora, el sistema está compuesto por un reactor de plasma formado por un tubo de cuarzo que comprende una parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) con un radio interno de 7,5 mm, una parte transitoria (20), con un radio interno constante de 7,5 mm, y se usa una parte de nucleación (21), con el mismo radio interno de 7,5 mm. El sistema funciona con una mezcla compuesta por un precursor líquido, en este caso etanol, que después de ser vaporizado usando un baño de ultrasonidos, tiene una tasa de incorporación en la mezcla de 1,7*10-8 m3/s, se usa argón como gas portador, con un caudal de 4,2 * 10-6 m3/s. Los caudales se monitorizan por un controlador acoplado a dos medidores de flujo. Dicha mezcla se inyecta, en régimen de corriente, en una parte de admisión (8) del reactor situada en la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19), pasando luego por la zona caliente (20') de una antorcha de plasma de microondas, generada por una onda superficial (5) a presión atmosférica. La antorcha de plasma incluye un generador de microondas, que funciona a una frecuencia de 2,45 GHz, un dispositivo guía de ondas (7) que incluye un aislante, acopladores direccionales y un sintonizador, y un aplicador de campo tipo surfatrón (6). El sistema está cerrado por un componente ajustable que cortocircuita las microondas. La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 0,4 kW. La temperatura de la pared del tubo de cuarzo se mantiene a 60 °C usando un dispositivo criostato. La corriente se somete a radiación infrarroja (IR), que funciona con una potencia aplicada de 50 W, junto con radiación ultravioleta (UV), que funciona también con una potencia aplicada de 50 W, la radiación IR y UV se genera mediante una matriz de lámparas eléctricas. Finalmente, las nanoestructuras bidimensionales se recogen mediante un dispositivo filtrante de membrana (22) acoplado a una bomba de vacío.

7. Para la producción de grafeno con una tasa de producción de aproximadamente 1 miligramo por hora, el sistema usa el montaje descrito anteriormente (Ejemplo 6) con un radio interno constante de 7,5 mm en todas las áreas (19, 20, 21). El sistema funciona con una mezcla compuesta por un precursor líquido, en este caso butanol o propanol, que después de ser vaporizado usando un baño de ultrasonidos, tiene una tasa de incorporación en la mezcla de 1,7*10-8 m3/s y se usa argón como gas portador, con un caudal de 4,2 * 10-6 m3/s. La antorcha de plasma usada es la misma descrita anteriormente (ejemplo 6), que funciona a la misma frecuencia de 2,45 GHz, y con el mismo tipo de aplicador de campo (6). La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 0,4 kW. La temperatura de la pared del tubo de cuarzo se mantiene a 40 °C usando un dispositivo criostato. La corriente se somete a radiación infrarroja (IR), generada por una matriz de lámparas eléctricas con una potencia aplicada de 50 W. Finalmente, las nanoestructuras bidimensionales se recogen mediante un dispositivo filtrante de membrana (22) acoplado a una bomba de vacío.

8. Para la producción de grafeno con una tasa de producción de aproximadamente 1 gramo por hora, se usa un reactor de plasma formado por un tubo de cuarzo que comprende una parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) con un radio interno de 18,0 mm, una parte transitoria (20), con un radio interno creciente, de 18,0 mm a 32,0 mm; y una parte de nucleación (21), con un radio interno de 32,0 mm. En primer lugar, se produce una mezcla compuesta por etileno como precursor, con una tasa de incorporación en la mezcla de 8,3*10-6 m3/s, y una mezcla de gases portadores compuesta por un 90 % de argón con un 5 % de helio y un 5 % de neón, con un caudal total de 3,3*10-4 m3/s. Los caudales se monitorizan mediante un controlador acoplado a dos medidores de flujo. A continuación, se introduce dicha mezcla formada por etileno con los gases portadores en régimen de corriente (12) a través de una conexión (14), usando una unidad de inyección (ver la Fig. 4), en una parte de admisión (8) del reactor, constituida por un tubo de cuarzo e instalado en la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19). Posteriormente, la corriente de dicha mezcla avanza a través de la parte (20) de una antorcha de plasma de microondas generada por una onda superficial (5) a presión atmosférica. Esta antorcha de plasma comprende un generador de microondas, que funciona a una frecuencia de 2,45 GHz, un dispositivo guía de ondas (7) que incluye un aislante, acopladores direccionales y un sintonizador, y un aplicador de campo tipo surfatrón (6). El sistema está cerrado por un componente ajustable que cortocircuita las microondas. La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 20 kW. La corriente se somete a radiación infrarroja (IR) a través de una fuente de radiación infrarroja (11) generada por conjuntos de lámparas IR eléctricas, que funcionan con una potencia aplicada de 2500 W. Las nanoestructuras de grafeno bidimensional así formadas se recogen mediante un dispositivo de extracción.

9. Para la producción de N-grafeno con una tasa de producción de aproximadamente 1 gramo por hora, se usa un reactor de plasma formado por un tubo de cuarzo que comprende una parte de lanzamiento de ondas superficiales (19) con un radio interno de 18,0 mm, una parte transitoria (20), con un radio interno creciente, de 18,0 mm a 75,0 mm; y se usa una parte de nucleación (21), con un radio interno de 75,0 mm. El sistema funciona con una mezcla compuesta por un gas portador, en este caso argón, con un caudal de 3,3*10-4 m3/s y dos precursores, un precursor líquido, en este caso etanol, más un precursor gaseoso, en este caso nitrógeno, el etanol después de ser vaporizado usando un baño de ultrasonidos, tiene una tasa de incorporación en la mezcla de 7,5*10-6 m3/s. El nitrógeno tiene una tasa de incorporación en la mezcla de 8,3*10-7 m3/s. Los caudales se monitorizan mediante un controlador acoplado a dos medidores de flujo. A continuación, dicha mezcla formada por el gas portador más los dos precursores se introduce en régimen de corriente (12) a través de una conexión (14), usando una unidad de inyección (ver la Fig. 4), en una parte de admisión (8) del reactor, constituido por un tubo de cuarzo e instalado en la parte de lanzamiento de ondas superficiales (19). Posteriormente, la corriente de dicha mezcla avanza a través de la parte (20) de una antorcha de plasma de microondas generada por una onda superficial (5) a presión atmosférica. Esta antorcha de plasma comprende un generador de microondas, que funciona a una frecuencia de 2,45 GHz, un dispositivo guía de ondas (7) que incluye un aislante, acopladores direccionales y un sintonizador, y un aplicador de campo tipo surfatrón (6). El sistema está cerrado por un componente ajustable que cortocircuita las microondas. La potencia de microondas proporcionada al plasma es de 6 kW. La corriente se somete a radiación infrarroja (IR) a través de una fuente de radiación infrarroja (11) generada por conjuntos de lámparas IR eléctricas, que funcionan con una potencia aplicada de 2000 W. Las nanoestructuras de grafeno bidimensional así formadas se recogen mediante un dispositivo de extracción.

La Fig. 5 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM), obtenida usando el resultado de la síntesis selectiva de láminas de grafeno, controlada por fuertes gradientes axiales de temperatura y velocidad del gas. Por otro lado, la Fig. 7 muestra una imagen SEM obtenida usando la síntesis no selectiva de nanoestructuras de carbono (nanopartículas de carbono, nanoláminas de grafeno y nanodiamantes) realizada en condiciones de gradientes axiales de temperatura/velocidad reducidos y/o no controlados. La caracterización SEM se realizó mediante un microscopio electrónico de barrido con cañón de emisión de campo, que funciona en modo de obtención de imágenes de electrones secundarios con voltajes aplicados en el intervalo de 10-15 kV.

La Fig. 6 muestra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), obtenida usando láminas de grafeno sintetizadas mediante el proceso de la invención con un sistema de reactor que no forma parte de la invención. La imagen se obtuvo usando un microscopio HRTEM, que funciona a un voltaje de aceleración de 200 kV. Como se puede observar, los bordes de las láminas están claramente doblados hacia arriba, siendo posible determinar el número de capas atómicas de cada lámina. La imagen HRTEM reveló que muchas de las láminas son capas atómicas individuales; algunas de las monocapas se identifican con flechas en la figura.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Proceso para producir grafeno, caracterizado en que comprende las etapas de:

(a) producir una corriente de una mezcla de al menos un gas inerte y al menos un precursor de grafeno, (b) descomponer el precursor, de la corriente de la etapa anterior, en sus constituyentes atómicos y moleculares mediante un plasma de microondas,

(c) exponer los constituyentes precursores formados en la etapa anterior a radiación infrarroja y, posteriormente, (d) recoger las nanoestructuras resultantes de la nucleación de constituyentes precursores.

2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado en que comprende además someter los constituyentes precursores a radiación ultravioleta en la etapa c).

3. Proceso según la reivindicación 2, caracterizado en que la radiación ultravioleta se genera haciendo funcionar una fuente de radiación ultravioleta en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W y 3000 W, preferiblemente entre 100 W y 2500 W, más preferiblemente entre 150 W y 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W y 1500 W.

4. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado en que comprende además, entre la etapa a) y la etapa b), un enfriamiento de dicha corriente por medio de un dispositivo de enfriamiento que funciona en un intervalo de temperatura comprendido entre 40 y 220 °C, preferiblemente entre 40 y 200 °C, más preferiblemente entre 40 y 180 °C, lo más preferiblemente entre 40 y 150 °C.

5. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado en que dicha corriente producida en la etapa (a) tiene un caudal comprendido entre 4,2 * 10'6 y 8,3 * 10'4 m3/s, preferiblemente entre 8,3 * 10'6 y 3,3 * 10'4 m3/s, más preferiblemente entre 1,7 * 10'5 y 1,7 * 10'4 m3/s.

6. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado en que el referido gas inerte de la mezcla de la etapa (a) se selecciona del grupo que consiste en helio, neón, argón, criptón, xenón y combinaciones de los mismos; y el precursor se selecciona del grupo que consiste en metano, etileno, etanol, metanol, propanol, butanol, acetileno y combinaciones de los mismos.

7. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado en que el plasma de microondas se genera haciendo funcionar una fuente de microondas en un intervalo de potencia de 100 W a 60000 W.

8. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado en que la radiación infrarroja se genera haciendo funcionar una fuente de radiación infrarroja (11) en un intervalo de potencia comprendido entre 50 W y 3000 W, preferiblemente entre 100 W y 2500 W, más preferiblemente entre 150 W y 2000 W, lo más preferiblemente entre 200 W y 1500 W.