CN106276875B - 一种制备量子碳素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备量子碳素的方法，量子碳素液是含有量子碳素的水溶液，所述量子碳素的水溶液包括碳素粒子：0.6≤粒径≤50nm单层石墨烯，0.6≤粒径≤100多层石墨烯，0.6nm≤粒径≤200nm的碳素结构粒子，0.6＜粒径＜200nm的量子碳素；本发明工艺简单、成本低、易于控制，容易实现大规模化生产，且无三废产生，生产的单层石墨烯、多层石墨烯、以及碳结构粒子颗粒度均匀，纯度高、产品质量稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备方法，尤其是涉及一种制备量子碳素的方法。
背景技术
众所周知，碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一。它具有SP、SP2、SP3杂化的多样电子轨道特性，尤其是碳碳双键sp2杂化的异向性导致晶体的各向导性，使得以碳元素为唯一构成元素的碳素结构材料具有各式各样的性质，而且，新碳素材料还在不断被发现和人工制得。可以说，没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成像三维金刚石晶体、二维石墨层片、一维卡宾和碳纳米管、零维富勒烯分子等如此之多的结构与性质完全不同的物质。譬如碳素结构体中的石墨烯片材料就有太多优越性，而且在太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广泛的应用。近年来，科学家和致力于探索制备单层石墨烯的途径，尤其是要制备高质量、产率高、成本低、结构稳定的石墨烯的方法。目前公知比较成熟的制备石墨烯的方法主要有以下几种：①剥离法，包括微机械剥离法和溶剂剥离法等；②生长法，包括晶体外延生长、取向附生法、化学气相沉积等；③氧化还原石墨法，包括常用的Hummers法、Standenmaier法、Brodie法等；④其它方法，主要有电弧放电法、石墨层间化学物途径法、目前非常新颖的高温淬火法与碳纳米管剥开法等。其中氧化还原石墨法具有简单且多元化的工艺，是常用的制备石墨烯的方法，但只适合于实验室少量制备用于研究，大量制备容易产生大量废酸、废水等引起环境污染。
同样，碳素结构体这些具有优秀性质的材料，到目前为止，其各种制备方法在成本和环保等方面还没有根本性的突破。
规模化制备高质量、低成本、环保型的碳素晶体材料是所有应用的基础,发展低成本可控的制备方法是当下最急需解决的问题。
量子碳素包括了粒径为0.3-100nm的碳素粒子的单层石墨烯、多层石墨烯、纳米碳结构体，在所述碳素粒子的表层具有含有碳、氢、氧、氮的化合物，所述含有碳、氢、氧、氮的化合物包括稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物。
量子碳素是碳元素的一种热力学不稳定但动力学较稳定的亚稳定物质。构成量子碳素的基材是单分散碳原子或碳原子簇。以石墨烯为例，当石墨烯片层产生一定的弯曲结构时，则使处于平衡状态的碳原子具有一定的应力能并处于较高能量状态。不同碳同素异性体中碳元素所具有的能量各不相同，石墨中碳原子的能量为零为最稳定状态，富勒烯球C60中碳原子的能量最高达0.45eV，C240约为0.15eV，纳米碳管和金刚石中碳原子能量在0.02～0.03eV，要克服石墨烯弯曲结构的应力能,不同的碳同素异体的生成热有差别。最稳定的石墨其生成热Hf(g·c)为零；金刚石为1.67KJ/mol；C60为42.51KJ/mol；C70为40.38KJ/mol碳，要使石墨变成弯曲结构形成不同碳同素异体，必须从外部施加更高能量使之在受激状态下形成能量更高的单分散碳原子或碳原子簇.这些可控式激态能量的供给，可以通过本发明的特殊加工方法实现，并可以选择性的制备出不同碳结构体。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种制备量子碳素的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、采用多层反渗透膜制得的pH值为6.5-7.2、电阻值为180兆欧的去离子水。通过电化学氧化发生器部分壳体左侧壁上设有进液口a进入发生器中。
步骤2、采用H2O2剂(浓度为30％)为发生器中水体的0.15％的添加量，通过进液口a进入发生器中。
步骤3、通过步骤1、2，水和剂进入电化学氧化发生器部分内，静置不少于24小时时间。之后经控制柜启动制备程序。控制柜提供高频脉冲直流电源，输出端直流电源为0-150V、0-100A供电化学氧化发生器部分(1)调节应用；同时提供输出端功率为1-5KVA、20KHz-120KHz多波频段交互发射波，供离子嵌入装置的可调式大功率聚焦式超声波换能器调节应用。
步骤4、电化学氧化发生器部分制备的初级碳溶胶液体经过泵提供的3kg/cm3-10kg/cm3压强，输送碳溶胶液体进入离子嵌入装置部分中，进行石墨层间氢、氧离子的嵌入制备。再经由石墨层间剥离部分、分散装置部分的石墨层间剥离部分装置、分散装置部分的制备后，碳溶胶液体在石墨层间剥离部分、分散装置部分装置中进行各种参数的检测。当碳溶胶液体的各项指标达到预定值的范围时，作为量子碳素的基础液态体进行后续提纯、浓缩等方法手段的分离制备出各形态的量子碳素制品。如果碳溶胶液体的各项指标未达到预定值的范围时，系统将开启泵4使碳溶胶液体重新返回电化学氧化发生器部分循环制备。
所述碳溶胶液体的各项指标是指：量子碳素混合液的pH值为1.2-2.2、电动势ORP值为280mv-380mv、电导率值为1.5ms/cm-5.0ms/cm，固液浓度依据电导率-固含量、电动势-固含量、pH-固含量的归一趋势，固含量值为0.4％-0.6％；碳溶胶液体的温度为40℃-70℃。
所述碳溶胶液体的各项指标包括对量子碳素粒子的粒径和粒径频度分布的检测。量子碳素的粒径和粒径频度分布的范围在0.6nm-1.0nm之间。
经过各参数达标后得到量子碳素液。量子碳素液经分级装置中设有转速为15000转/分钟-30000转/分钟的高速离心机，对量子碳素混合液进行离心分级处理。
优选地，对所述量子碳素混合液离心处理后，向处理后的溶液中加入添加0.001％-0.010％质量比的苯六甲酸作为结晶种子，并高速搅拌2小时同时加温到70℃-80℃，静置＞20小时，缓慢降温到室温，得到高纯度苯六甲酸结晶体的碳氢氧化合物。
优选地，对所述量子碳素混合液离心处理后，向处理后的溶液中加入0.1％-1.0％的烷烃，或0.1％-1.0％的碳醇，或烷烃和碳醇任一比例混合物；所述烷烃是碳原子为C1-C12的烷烃，其中一种或多种混合烃；所述碳醇是碳原子为C1-C12的碳醇，其中一种或多种混合醇；并高速剪切搅拌1小时，同时对混合液体施加五个波段频率超声分散，由低到高依次施加五个波段频率并且每个波段频率施加时间为1分钟，五个波段频率依次施加完毕后为一个施加组，连续循环进行若干施加组，直至超声分散的时间达到1小时后结束，然后静置12小时，得到上清液为浅黄色液体；采用气相色谱和质谱的共同联用分析方法，得到所述浅黄色液体成分是正辛烷C8H18碳氢化合物；所述五个波段频率依次为20KHz、45KHz、65KHz、100KHz、120KHz。
因此，本发明具有如下优点：本发明工艺简单、成本低、易于控制，容易实现大规模化生产，且无三废产生，生产的单层石墨烯、多层石墨烯、以及碳结构粒子颗粒度均匀，纯度高、产品质量稳定。
附图说明
图1为量子碳素制备工艺方法图。
图2为量子碳素制备构成图。
图3a为电化学氧化发生器部分(1)结构示意图。
图3b为电化学氧化发生器部分(1)中沿K-K线剖视结构示意图。
图3c为电化学氧化发生器部分(1)中负极板的结构示意图。
图3d为电化学氧化发生器部分(1)中正极板的结构示意图。
图4为离子嵌入装置部分(3)结构示意图。
图5为石墨层间剥离分散装置部分(2)中的结构示意图。
图6a为剥离部件(2-1)中的A1的剥离片图。
图6b为剥离部件(2-1)中的B1的剥离片图。
图6c为剥离部件(2-1)中的C的剥离片图。
图6d为剥离部件(2-1)中的A2的剥离片图。
图6e为剥离部件(2-1)中的B2的剥离片图。
图6f为剥离部件(2-1)中的D的剥离片图。
图7a为剥离部件(2-1)中A1-B1组合示意图。
图7b为剥离部件(2-1)中A2-B2组合示意图。
图7c为剥离部件(2-1)中的A、B片组合示意图。
图8为剥离部件(2-1)中的A、B、C、D片组合示意图。
图9为分散装置部分示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例
本发明涉及的一种制备量子碳素的方法，包括如下步骤：
(1)采用多层反渗透膜制得的pH值为6.5-7.2、电阻值为180兆欧的去离子水。通过电化学氧化发生器部分1壳体左侧壁上设有进液口a进入发生器中。
(2)采用H2O2剂(浓度为30％)为发生器中水体的0.15％的添加量，通过进液口a进入发生器中。
(3)电化学氧化发生器部分1中包括壳体和设置于壳体内腔中的至少一组正负极板发生组件1-1；1-2，正极板1-2为石墨化的三高石墨板(高密度：比重＞1.80、高纯度：石墨＞99.9％、高强度：抗拉强度＞30.00MPa)；负极板1-1为314#不锈钢或314#不锈钢表面镀有Pt或Ni的金属极板，并均匀地分布直径为2mm×50-300个的通孔。1-3为聚四氟乙烯材质的托架；1-4为聚四氟乙烯材质的中心轴；1-5为弹性调节间隙装置，调节1-1和1-2之间的间隙，调节范围为0.5mm～10mm；。
(4)通过(1)(2)步骤，水和剂进入电化学阳极氧化装置1内，静置不少于24小时时间。之后经控制柜启动制备程序。控制柜提供高频脉冲直流电源，输出端直流电源为0-150V、0-100A供电化学阳极氧化装置调节应用；同时提供输出端功率为1-5KVA、20KHz-120KHz多波频段交互发射波，供离子嵌入装置的可调式大功率聚焦式超声波换能器调节应用。
(5)电化学氧化发生器部分1制备的初级碳溶胶液体经过泵3-4提供的3kg/cm3-10kg/cm3压强，输送碳溶胶液体进入离子嵌入装置部分3中，进行石墨层间氢、氧离子的嵌入制备。再经由石墨层间剥离、分散装置部分2的石墨层间剥离装置2-1、分散装置部分2-2的制备后，碳溶胶液体在石墨层间剥离、分散装置部分2装置中进行各种参数的检测。当碳溶胶液体的各项指标达到预定值的范围时，作为量子碳素的基础液态体进行后续提纯、浓缩等方法手段的分离制备出各形态的量子碳素制品(即通过本发明的浓缩装置和分离装置进行浓缩或分离，由于浓缩和分离装置均采用传统的分离和浓缩技术，在此不再赘述)。如果碳溶胶液体的各项指标未达到预定值的范围时，系统将开启泵4使碳溶胶液体重新返回电化学氧化发生器部分1循环制备。
(6)在(5)中所述碳溶胶液体的各项指标是指：量子碳素混合液的pH值为1.2-2.2、电动势ORP值为280mv-380mv、电导率值为1.5ms/cm-5.0ms/cm；固液浓度依据电导率-固含量、电动势-固含量、pH-固含量的归一趋势，固含量值为0.4％-0.6％；碳溶胶液体的温度为40℃-70℃，其中，纯净的碳粒子表面应该是碱性的，因为其的微晶表面是由芳香稠环结构组成的，这是路易斯碱，在水中易吸收氢离子而使周围液体呈碱性，酸性是在表面键合氧到一定程度抵消路易斯碱性后出现的，pH值就是量子碳素粒子表面含氧量的标志，pH值的高低主要取决于量子碳素粒子表面含氧基团的数目。
电导率为基准，电导率与固含量关系线性回归的结果
在(5)中所述碳溶胶液体的各项指标包括对量子碳素粒子的粒径和粒径频度分布的检测。量子碳素的粒径和粒径频度分布的范围在0.6nm-1.0nm之间。已经超出纳米尺度(1nm-100nm)范畴。
经过各参数达标后得到量子碳素液。量子碳素液经分级装置中设有转速为15000转/分钟-30000转/分钟的高速离心机，对量子碳素混合液进行离心分级处理。
(7)7-1、对所述量子碳素混合液离心处理后，向处理后的溶液中加入添加(0.001％-0.010％质量比)的苯六甲酸作为结晶种子，并高速搅拌2小时同时加温到70℃-80℃，静置＞20小时，同时对混合液体施加五个波段频率超声分散，由低到高依次施加五个波段频率并且每个波段频率施加时间为1分钟，五个波段频率依次施加完毕后为一个施加组，连续循环进行若干施加组，直至超声分散的时间达到1小时后结束，同时缓慢自然降温到室温，得到高纯度苯六甲酸结晶体的碳氢氧化合物。
7-2、对所述量子碳素混合液离心处理后，向处理后的溶液中加入添加0.1％-1.0％的烷烃，或添加0.1％-1.0％的碳醇，或添加烷烃和碳醇任一比例混合物。所述烷烃是碳素为C1-C12的烷烃，其中一种或多种混合烃。所述碳醇是碳素为C1-C12的碳醇，其中一种或多种混合醇。并高速搅拌1小时，静置12小时，得到高纯度辛烷C8H18碳氢氧化合物。
本发明涉及的量子碳素制备方法的装备，包括电控部分、电化学氧化发生器部分1、离子嵌入装置部分3、石墨层间剥离、分散装置部分2、分离装置部分和浓缩装置部分组成。其特征在于：电化学氧化发生器部分1、离子嵌入装置部分3、石墨层间剥离、分散装置部分2、分离装置部分和浓缩装置部分依次首尾连通构成。
电化学氧化发生器部分1包括壳体和设置于壳体内腔中的至少一组正负极板发生组件1-1；1-2，壳体左侧壁上设有进液口a和进气口b，壳体右侧壁上设有出料口c。正极板1-2为石墨化三高(高密度：比重＞1.80、高纯度：石墨＞99.9％、高强度：抗拉强度＞30.00MPa)；负极板1-1为314#不锈钢或314#不锈钢表面镀有Pt或Ni的金属极板，并均匀地分布直径为2mm×50-300个的通孔。1-3为聚四氟乙烯材质的托架；1-4为聚四氟乙烯材质的中心轴；1-5为弹性调节间隙装置，调节1-1和1-2之间的间隙，调节范围为0.5mm～10mm；。
离子嵌入装置部分3包括泵体3-4、管道3-1、法兰管接头、以及设置于管道3-1端头的至少一组离子嵌入装置组成。所述离子嵌入装置为可调式大功率聚焦式超声波换能器(频率20KHz-120KHz，功率1KW—5KW)。
石墨层间剥离部分2-1包括A、B、C、D四片不同结构圆形金属片和限位螺栓2-1.1、壳体、两个端盖组成。所述A、B、C、D四片不同结构金属片包括A1、A2、B1、B2。其中A1为均匀分布六角形通孔圆盘，圆盘中心为中心孔的中心。B1和A1的孔型尺寸相同，为均匀分布六角形通孔圆盘，但圆盘中心为A1横向移动两孔中心直线距离的1/2处。其中A2为均匀分布圆形通孔圆盘，圆盘中心为中心孔的中心。B2和A2的孔型尺寸相同，为均匀分布圆形通孔圆盘，但圆盘中心为A2横向移动两孔中心直线距离的1/2处。其中C片为圆盘周边有半圆通孔和盘中均匀分布至少四个限位螺孔。其中D片为中心有一通孔。其组合有A1-B1、A2-B2、A-B和DABCD。
分散装置部分2-2包括壳体、设置在壳体内依次连接的两个分散腔，分别是分散腔一和分散腔二，所述分散腔二的输出端与壳体外部的输出腔连接；所述分散腔一和分散腔二为两个矩形腔，且分散腔一输出端与分散腔二的输入端连接，所述分散腔二的输出端楔形，倾斜角度为α；输出腔为梯形，且两边的倾斜角度为β，所述分散腔二的输出端至输入端的距离为L，宽度为D1，分散腔二的输出端的口径为D2，所述壳体上部还开有一个垂直流道至分散腔一和分散腔二的连接处，该流道为一个倒T形矩形流道，且流道的底部将分散腔一和分散腔二的连接处包裹住，如图9，
流体经流不同的管径和一定的几何尺寸空间中，在各个局部和质点处产生不同的流体压强和质点的运动速度。从A进口进入的液流体，液体压力变换为动压。在局部负压区，是由于管径突变，液体流速增加，压力释放而产生局部负压区E。负压区E具有从B入口吸入特定气体或流体介质功能。
本发明特定气体为空气。加入量为0.01％～1％(液体体积比)，优选0.1％～0.5％。加压区是特定几何尺寸空间，将吸入的气体形成气液混合相状态，由于管径扩大，液体流速下降，液体从动压变换为静压进行气缩加压溶解。经过充分气体的加压溶解后，液体已成为过饱和状态。C出口按一定角度突变扩展通向大气压的压力时，液体产生大量的微泡析出。在大气压界面C出口处，融入液体中的气体微泡从生成、生长到爆炸式溃灭在瞬间完成，局部产生异常高温高压，使水分子结合键断裂产出大量的羟自由基(·OH)和氢自由基(·H)。羟自由基(·OH)具有超强的氧化能力，对单层石墨烯、多层石墨烯、以及碳结构粒子进行氧化修饰。
其中，0.01≤(D1-D2)/L≤0.1，优选(D1-D2)/L＝0.05；35°≤α≤75°，优选α＝45°；45°≤β≤85°，优选β＝65°
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种利用量子碳素制备化合物的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、采用多层反渗透膜制得的pH值为6.5-7.2、电阻值为180兆欧的去离子水；通过电化学氧化发生器部分(1)壳体左侧壁上设有进液口a进入发生器中；
步骤2、采用H2O2剂为发生器中水体的0.15％的添加量，通过进液口a进入发生器中；
步骤3、通过步骤1、2，水和H2O2剂进入电化学氧化发生器部分(1)内，静置不少于24小时时间；之后经控制柜启动制备程序；控制柜提供高频脉冲直流电源，输出端直流电源为0-150V、0-100A供电化学氧化发生器部分(1)调节应用；同时提供输出端功率为1-5KVA、20KHz-120KHz多波频段交互发射波，供离子嵌入装置的可调式大功率聚焦式超声波换能器调节应用；
步骤4、电化学氧化发生器部分(1)制备的初级碳溶胶液体经过第一泵(3-4)提供的3kg/cm2-10kg/cm2的压强，输送碳溶胶液体进入离子嵌入装置部分(3)中，进行石墨层间氢、氧离子的嵌入制备；再经由石墨层间剥离分散装置部分(2)的石墨层间剥离部分装置(2-1)、分散装置部分(2-2)的制备后，碳溶胶液体在石墨层间剥离分散装置部分(2)中进行各种参数的检测；当碳溶胶液体的各项指标达到预定值的范围时，作为量子碳素的基础液态体进行后续提纯、浓缩手段的分离制备出各形态的量子碳素制品；如果碳溶胶液体的各项指标未达到预定值的范围时，系统将开启第二泵(4)使碳溶胶液体重新返回电化学氧化发生器部分(1)循环制备；
所述碳溶胶液体的各项指标是指：量子碳素混合液的pH值为1.2-2.2、电动势ORP值为280mv-380mv、电导率值为1.5ms/cm-5.0ms/cm；固液浓度依据电导率-固含量、电动势-固含量、pH-固含量的归一趋势，固含量值为0.4％-0.6％；碳溶胶液体的温度为40℃-70℃；
所述碳溶胶液体的各项指标包括对量子碳素粒子的粒径和粒径频度分布的检测；量子碳素的粒径和粒径频度分布的范围在0.6nm-1.0nm；
经过各参数达标后得到量子碳素液；量子碳素液经分级装置中设有转速为15000转/分钟-30000转/分钟的高速离心机，对量子碳素混合液进行离心分级处理；
对所述量子碳素混合液离心处理后，向处理后的溶液中加入添加0.001％-0.010％质量比的苯六甲酸作为结晶种子，并高速搅拌2小时同时加温到70℃-80℃，静置＞20小时，缓慢降温到室温，得到高纯度苯六甲酸结晶体的碳氢氧化合物。
2.按照权利要求1所述的利用量子碳素制备化合物的方法，其特征在于：对所述量子碳素混合液离心处理后，向处理后的溶液中加入0.1％-1.0％的烷烃，或0.1％-1.0％的碳醇，或烷烃和碳醇任一比例混合物；所述烷烃是碳原子为C1-C12的烷烃中的一种或多种混合烃；所述碳醇是碳原子为C1-C12的碳醇中的一种或多种混合醇；并高速剪切搅拌1小时，同时对混合液体施加五个波段频率超声分散，由低到高依次施加五个波段频率并且每个波段频率施加时间为1分钟，五个波段频率依次施加完毕后为一个施加组，连续循环进行若干施加组，直至超声分散的时间达到1小时后结束，然后静置12小时，得到上清液为浅黄色液体；采用气相色谱和质谱的共同联用分析方法，得到所述浅黄色液体成分是正辛烷碳氢化合物；所述五个波段频率依次为20KHz、45KHz、65KHz、100KHz、120KHz。
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| CN106276875A (zh) | 2017-01-04 |
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| C06 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |