CN108059153B - 一种合成器及其制备石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成器及其制备石墨烯的方法。此方法是将碳源气体通入熔融的铜中形成气泡，通过水平方向的层间搅拌，形成铜熔体内部的层流摩擦，将气泡碾成气体薄膜，同时伴随碳源的热分解和碳原子重组，得到层数少、厚度薄、面积大、晶体结构完整的石墨烯。

Description

一种合成器及其制备石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料技术领域，具体涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

目前石墨烯的制备方法主要有气相沉积、氧化还原、机械剥离等方法，但气相沉积法产率过底；氧化还原法会严重损坏石墨烯的表面晶格结构，造成大量缺陷，极大地影响石墨烯成品的质量；机械剥离法该法存在着产量低，不易精确控制，重复性差等缺点。因此需要一种制备方法可以实现高质量石墨烯的大规模量产。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本发明提出一种制备石墨烯的合成器和制备高质量薄层石墨烯的方法。

为实现上述石墨烯制备方法，本发明第一方面提供了一种制备石墨烯的合成器,所述合成器包含一圆柱形结构的内腔、搅拌器、设在合成器顶部的保护气体入口和收料口，

在所述内腔的侧壁上设有垂直于侧壁的至少两片减速叶片，

所述搅拌器包括轴和设在轴上的至少两片搅拌桨，所述轴与所述内腔的圆柱形结构同轴，

所述减速叶片与搅拌桨间隔排列，且在所述合成器内腔底部分布着复数个碳源气体出口,所述复数个碳源气体出口与圆柱形结构中心轴呈对称结构。

优选地，所述至少两片搅拌桨和所述轴垂直，且搅拌桨与减速叶片在竖直方向上是间隔排列的，搅拌桨与减速叶片的间距为0.5～500mm，优选为，10～100mm。

优选地，所述搅拌器的搅拌桨和减速叶片可根据需求调整层数，其中搅拌桨在所述轴上至少设有2层，减速叶片在内腔侧壁上至少设有1层。

优选地，所述至少两片减速叶片在内腔的横切面上均匀分布。

优选地，所述至少两片搅拌桨在轴切面上均匀分布。

优选地，所述至少两片减速叶片固定在所述内腔侧壁上，即为静止状态。

优选地，保护气体入口与收料口设置在相对合成器中心轴的相反方向。

优选地，所述减速叶片与水平面的夹角为0°-60°；所述搅拌桨与水平面的夹角为0°-60°；更优选地，减速叶片的倾斜方向和搅拌桨的倾斜方向相同或相反。

本发明第二方面提供一种制备石墨烯的制备方法，其包括以下步骤：

(1)采用纯铜为原料，在充有保护气氛的合成器中加热至1000-1100℃，形成铜熔体；

(2)开启合成器的搅拌器，使熔融铜随搅拌桨的搅动平稳流动，并与减速叶片之间的熔融铜产生层流摩擦；

(3)以碳氢化合物气体作为碳源气体，使碳源气体从合成器底部的碳源气体出口进入合成器，在熔融铜中形成气泡并上浮，经过不同流速的铜熔体层之间的层流摩擦，气泡被碾压成气体薄膜，在高温下碳源气体热分解为碳原子并在铜的催化下重组，生成石墨烯，

(4)当石墨烯上浮至铜熔体表面时，经保护气体气流吹扫，从收料口收集石墨烯。

优选地，所述碳氢化合物气体包括但不限于甲烷、乙烯、乙烷、丙烷等。

优选地，搅拌桨转速为20～2000r/min。

本发明的合成器优选为石墨材质或其他高熔点金属或合金材质。

本发明方法原理是通过将碳源气体通入熔融铜中，由于搅拌桨和减速叶片的间隔排列和相对运动，使搅拌桨周围熔体流动速度快，减速叶片周围熔体流动速度慢，在搅拌桨与减速叶片之间形成熔体流动的速度梯度。通过不同流动速度的熔融铜层之间的层流摩擦和剪切作用，将碳源气体形成的气泡碾压成气体薄膜，同时伴随碳源气体的热分解和碳原子的重组，得到层数少、厚度薄、面积大的高质量的石墨烯。石墨烯生成后不断上浮至熔融铜的表面，通过保护气体的吹扫将石墨烯带出合成器，从收料口完成收集。本发明提供的石墨烯制备方法具有工艺简单，成本低，易于产业化的。

附图说明

图1本发明制备石墨烯的合成器的一实施例结构示意图及本发明制备方法示意图。

图2实施例1制备的石墨烯SEM。

图3实施例1制备的石墨烯拉曼图。

其中，1为合成器，10为内腔，11为保护气体入口，12为收料口，13为减速叶片，21为搅拌器轴，22为搅拌桨，30为碳源气体出口，40为铜熔体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行更详细地说明。

如图1所示的制备石墨烯的合成器一实施例，合成器1包含一圆柱形结构的内腔10、搅拌器、设在合成器1顶部的保护气体入口11和收料口12，在内腔10的侧壁上设有垂直于侧壁的至少两片减速叶片13，所述搅拌器包括搅拌器轴21和设在搅拌器轴21上的至少两片搅拌桨22，所述搅拌器轴21与所述内腔10的圆柱形结构同轴，所述减速叶片13与搅拌桨22间隔排列，且在所述合成器1的内腔10的底部分布着复数个碳源气体出口30，所述复数个碳源气体出口30与圆柱形结构中心轴呈对称结构。

实施例1

本发明一实施例的墨材质合成器内径250cm、内腔高200cm，石墨搅拌桨与石墨减速叶片的高度均为15cm，搅拌桨与减速叶片间距均为22cm，碳源气体出口直径2cm。采用纯铜为原料，在氩气保护的合成器中加热至1100℃，形成均匀的铜熔体，减速叶片为静止状态，搅拌桨转速为200rpm。

从碳源气体通道中以300ml/min通入甲烷气体，甲烷从碳源气体出口进入熔融铜形成气泡并不断上浮；搅拌桨与减速叶片之间的熔体流速呈现明显的梯度变化，不同流速的液体层之间层流摩擦和强剪切作用，将上浮的气泡碾成气体薄膜，同时伴随着甲烷气体的高温热分解和碳原子的重组，生成大面积的薄层石墨烯。

由于石墨烯表面与铜的浸润性较差，上浮后漂浮于熔融铜的表面，随保护气体流动，通过过滤装置即可从收料口收集到高质量的石墨烯材料。

对收集的石墨烯材料进行检测，其厚度约1nm，单片最大尺寸约200μm。

以上已对本发明的优选实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种制备石墨烯的合成器, 其特征在于，所述合成器包含一圆柱形结构的内腔、搅拌器、设在合成器顶部的保护气体入口和收料口，

在所述内腔的侧壁上设有垂直于侧壁的至少两片减速叶片，

所述搅拌器包括轴和设在轴上的至少两片搅拌桨，所述轴与所述内腔的圆柱形结构同轴，

所述减速叶片与搅拌桨间隔排列，且在所述合成器内腔底部分布着复数个碳源气体出口, 所述复数个碳源气体出口与圆柱形结构中心轴呈对称结构;

所述内腔中含有熔融铜。

2.根据权利要求1所述的合成器，其特征在于，所述至少两片搅拌桨和所述轴垂直，且搅拌桨与减速叶片在竖直方向上是间隔排列的。

3.根据权利要求1所述的合成器，其特征在于，所述搅拌器的搅拌桨在所述轴上至少设有2层，减速叶片在内腔侧壁上至少设有1层。

4.根据权利要求1所述的合成器，其特征在于，所述至少两片减速叶片在内腔的横切面上均匀分布。

5.根据权利要求1所述的合成器，其特征在于，所述至少两片搅拌桨在轴切面上均匀分布。

6.根据权利要求1所述的合成器，其特征在于，保护气体入口与收料口设置在相对合成器中心轴的相反方向。

7.根据权利要求1所述的合成器，其特征在于，所述至少两片减速叶片固定在所述内腔侧壁上，即为静止状态。

8.如权利要求1-7任一项所述的合成器制备石墨烯的方法，其包括以下步骤：

（1）采用纯铜为原料，在充有保护气氛的合成器中加热至1000-1100℃，形成铜熔体；

（2）开启合成器的搅拌器，使熔融铜随搅拌桨的搅动平稳流动，并与减速叶片之间的熔融铜产生层流摩擦；

（3）以碳氢化合物气体作为碳源气体，使碳源气体从合成器底部的碳源气体出口进入合成器，在熔融铜中形成气泡并上浮，经过不同流速的铜熔体层之间的层流摩擦，气泡被碾压成气体薄膜，在高温下碳源气体热分解为碳原子并在铜的催化下重组，生成石墨烯，

（4）当石墨烯上浮至铜熔体表面时，经保护气体气流吹扫，从收料口收集石墨烯。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳氢化合物气体包括选自甲烷、乙烯、乙烷、丙烷。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，搅拌桨转速为20~2000r/min。

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