CN107117602B - 一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提出一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯的方法。其具体技术方案是石墨先经过气流磨粉碎剥离为石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮换热器冷萃得到横向尺寸50~500nm的单层或多层石墨烯。具有石墨层规则，晶型好，缺陷少，纯度高，产率大等特点。

Description

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯的方法

技术领域

本发明属于石墨烯材料制备工艺技术领域，具体涉及一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯的方法。

背景技术

碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料它可以形成硬度较大的金刚石，也可以形成较软的石墨，近20年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域，1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管均引起了巨大的反响，兴起了研究热潮，2004年Manchester大学的Geim小组首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体-石墨烯。石墨烯的发现充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。

石墨烯是由碳原子按正六边形紧密排列成蜂窝状晶格的单层二维平面结构。石墨烯结构非常稳定，各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导热性3000W/(m*K)。石墨烯最大的特性是其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度,是目前已知材料中电子传导速率最快的，其室温下的电子迁移率可达15000cm2/(V* s)。石墨烯还表现出了完美的量子隧道效应、零质量的狄拉克费米子行为及异常的半整数量子霍尔效应。石墨烯还是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度是世界上最好的钢铁的100多倍。另外，单层石墨烯具有非常大的比表面积，可高达2600m2/g。石墨烯具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域广泛应用，是最有前景的先进材料之一。

石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法、化学还原石墨烯氧化物法、碳纳米管轴向切割法、电化学还原法、化学气相沉积法、微波法、溶剂热法、电弧放电法、外延生长法、液相剥离石墨法等。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；化学还原石墨烯氧化物法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法，但是通过机械方式反复地研磨尽管获得了石墨烯，但是由于受到研磨压应力的作用，研磨撞击对石墨晶格造成一定的破坏，由于研磨对石墨施加压力，对剥离的石墨产生巨大的冲击力，这种冲击力会使石墨烯层产生结构缺陷，极易造成石墨烯层结构晶格缺陷，降低剥离后石墨烯的尺寸，使得制得的石墨烯产品晶体尺寸小，难以获得大尺寸高质量石墨烯，无论是机械式球磨研磨还是机械式气流研磨，均是牺牲了石墨烯尺寸和晶格完整性；另外，研磨介质的强大压力会导致石墨层结构变得更加紧密反而会导致剥离效果降低，造成研磨时间长、成本非常高昂；再者，目前研磨生产石墨烯属于间歇式，在对石墨进行剥离的同时，对已剥离的石墨烯无法及时筛选出，因而难以进行连续稳定的量产，难以进行大规模产业化生产。

鉴于石墨烯材料的优异性能和各行业对高性能低成本石墨烯的迫切需求，本专利采用经济可行的工艺方法连续批量制备石墨烯材料。

发明内容

针对目前球磨、气流研磨等机械剥离制备石墨烯易造成石墨晶格破坏、二维尺寸面积小、耗时长、成本高、无法连续稳定大规模生产的缺陷，本发明提出一种利用电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，从而实现连续稳定批量制备石墨烯，进一步推动了石墨烯的量产化生产。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，其特征在于利用电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料，具体方案如下：石墨先经过气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮换热器冷萃得到完全分散的石墨烯；具体工艺方案如下：

所述工艺方案采用的设备主要包括氮气气源、气流磨、旋流器、电焊机、液氮池；

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，使用电弧放电设备制备，其具体生产步骤与原理说明：

A、整个系统在抽真空至1KPa以下，整套设备中充入氮气，气流磨压力控制在100~150KPa，气流磨中气流速控制在10~20m/s，旋流器出口速度为20~100m/s，电弧等离子反应室气压稳定器控制电弧等离子反应室气压在100~300KPa，同时在液氮池装入液氮，一般的，气压越高，石墨烯横向尺寸越大；

B、打开旋流器的水冷却系统，开启电弧设备电焊机预热后引弧；调节电流至600~2000A，调节阴极杆保持阴极棒和阳极棒之间为一个相对恒定的距离；一般的，电流越大，石墨烯剥离效果越好，但是过高会导致均匀性差，或者石墨烯由于温度过高灼伤产生缺陷、卷曲、团聚；

C、石墨先通过氮气作为载体的气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，气流磨有破碎和剥离石墨的效果，但是能量还没有达到获得石墨烯或多层石墨烯的程度，石墨粉在相互冲击下得到活化，便于下一步等离子处理；

D、石墨粉进入旋流器加速，在旋流器出口以速度20~100m/s快速通过电弧等离子，被迅速剥离成石墨烯，落在液氮换热器上进行冷萃；少层石墨烯的产出率达到96%，横向尺寸集中在50~500nm。

优选的，所述电弧设备电焊机引弧电流为1500A。

本发明一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、这种方法制备出的石墨烯具有石墨层规则，晶型好，缺陷少，纯度高等特点。

2、设备和工艺过程简单，工艺可控性好，制备成本低，产率大，具有连续化高效制备石墨烯特性。有益于工业化生产。

附图说明

为进一步明确电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，通过附图进行说明。

图1：一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的设备系统示意图。

其中，1-液氮制备系统；2-储气罐；3-进料口；4-气流磨；5-旋流器；6-液氮池；7-电焊机。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。

实施例1

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，先将石墨经过气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在电弧等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮池得到完全分散的石墨烯，设备示意图如图1。粉碎的石墨进入旋流器中在高压气体带动下螺旋加速，从下喷口喷出，下喷口为电弧等离子阳极，内直径约为20mm，下喷口圆心设置电弧等离子阴极，旋流器带有高压水冷系统，以带走电弧热量。

详细操作步骤包括开启液氮装置、开启电弧放电、石墨破碎、石墨烯剥离和样品收集。

其中，气流磨压力控制在100 KPa，气流速控制在10m/s。

其中，旋流器出口速度为20m/s。

其中，电弧等离子反应室气压稳定器控制电弧等离子反应室气压在100KPa，直流电弧放电时，放电电流为600A。

其中，制备所得的少层石墨烯的产出率为76%，横向尺寸集中在500nm。

实施例2

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，先将石墨经过气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮换热器冷萃得到完全分散的石墨烯，设备示意图如图1。详细操作步骤包括开启液氮装置、开启电弧放电、石墨破碎、石墨烯剥离和样品收集。

其中，气流磨压力控制在150KPa，气流速控制在15m/s。

其中，旋流器出口速度为60m/s。

其中，电弧等离子反应室气压稳定器控制电弧等离子反应室气压在200KPa，直流电弧放电时，放电电流为1000A。

其中，制备所得的少层石墨烯的产出率为87%，横向尺寸集中在20nm。

实施例3

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，先将石墨经过气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮换热器冷萃得到完全分散的石墨烯，设备示意图如图1。详细操作步骤包括开启液氮装置、开启电弧放电、石墨破碎、石墨烯剥离和样品收集。

其中，气流磨压力控制在120 KPa，气流速控制在20m/s。

其中，旋流器出口速度为100m/s。

其中，电弧等离子反应室气压稳定器控制电弧等离子反应室气压在300KPa，直流电弧放电时，放电电流为1500A。

其中，制备所得的少层石墨烯的产出率为81%，横向尺寸集中在200nm。

实施例4

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，先将石墨经过气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮换热器冷萃得到完全分散的石墨烯，设备示意图如图1。详细操作步骤包括开启液氮装置、开启电弧放电、石墨破碎、石墨烯剥离和样品收集。

其中，气流磨压力控制在120 KPa，气流速控制在20m/s。

其中，旋流器出口速度为80m/s。

其中，电弧等离子反应室气压稳定器控制电弧等离子反应室气压在200KPa，直流电弧放电时，放电电流为2000A。

其中，制备所得的少层石墨烯的产出率为91%，横向尺寸集中在240nm。

实施例5

一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，先将石墨经过气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮换热器冷萃得到完全分散的石墨烯，设备示意图如图1。详细操作步骤包括开启液氮装置、开启电弧放电、石墨破碎、石墨烯剥离和样品收集。

其中，气流磨压力控制在120 KPa，气流速控制在20m/s。

其中，旋流器出口速度为80m/s。

其中，电弧等离子反应室气压稳定器控制电弧等离子反应室气压在200KPa，直流电弧放电时，放电电流为1500A。

其中，制备所得的少层石墨烯的产出率为96%，横向尺寸集中在290nm。

Claims (2)

1.一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，其特征在于利用电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料，石墨先经过气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，再利用高压气流将石墨通过旋流器加速，在旋流器喷嘴处，喷嘴内壁和阴极之间产生电弧等离子，多层石墨流在等离子射流作用下瞬时被剥离为石墨烯，经液氮换热器冷萃得到完全分散的石墨烯；具体工艺方案如下：

A、整个系统在抽真空至1KPa以下，整套设备中充入氮气，气流磨压力控制在100～150KPa，气流磨中气流速控制在10～20m/s，旋流器出口速度为20～100m/s，电弧等离子反应 室气压稳定器控制电弧等离子反应室气压在100～300KPa，同时在液氮池装入液氮，一般的，气压越高，石墨烯横向尺寸越大；

B、打开旋流器的水冷却系统，开启电弧设备电焊机预热后引弧；调节电流至600～2000A，调节阴极杆保持阴极棒和阳极棒之间为一个相对恒定的距离；一般的，电流越大，石墨烯剥离效果越好，但是过高会导致均匀性差，或者石墨烯由于温度过高灼伤产生缺陷、卷曲、团聚；

C、石墨先通过氮气做为载体的气流磨粉碎剥离为小于5μm的石墨粉，气流磨有破碎和剥离石墨的效果，但是能量还没有达到获得石墨烯的程度，石墨粉在相互冲击下得到活化，便于下一步等离子处理；

D、石墨粉进入旋流器加速，在旋流器出口以速度20～100m/s快速通过电弧等离子，被迅速剥离成石墨烯，落在液氮换热器上进行冷萃；少层石墨烯的产出率达到96%，横向尺寸集中在50～500nm。

2.根据权利要求1所述一种电弧等离子连续剥离制备石墨烯材料的方法，其特征在于：所述电弧设备电焊机引弧电流为1500A。