CN109455704B - 一种石墨烯连续生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨烯连续生产系统，所述生产系统包括料仓、行进机构、反应单元和气氛控制单元，所述反应单元包括顺序连接的第i反应区和第n反应区，n为自然数且≥2，i取到小于n的所有自然数；所述气氛控制单元包括相互配合的控温机构和控真空机构，其中，控温机构被设置为能够控制所述第n反应区和第i反应区的温度，所述控真空机构被设置为能够控制所述第n反应区和第i反应区的压强，所述料仓盛放含有官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯；所述行进机构用于可拆卸地设置料仓并带动料仓依次经历所述反应单元的反应区。本发明的生产系统结构简单，生产效率高，能够有效的利用余热，节能环保，可实现石墨烯的连续化生产。

Description

一种石墨烯连续生产系统

技术领域

本发明涉及新材料制备技术领域，更具体地讲，涉及一种石墨烯连续生产系统。

背景技术

2004年，英国曼切斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首先利用机械剥离法从石墨中分离出了单层石墨烯，并研究了其准粒子性，以及场效应特性。该发现迅速在全球引发了一场石墨烯的研究热潮，短短几年时间里，石墨烯的研究和应用得到了蓬勃发展。

石墨烯是由碳原子组成的二维蜂窝状网络结构，是一种可以直接从石墨中剥离出来、由单层碳原子构成的面材料。石墨烯中碳原子的排列与石墨一样，都属于复式六角晶体结构，在二维平面上以SP2杂化轨道互相堆垛，每个碳原子与其最相邻的三个碳原子间构成三个σ键，而剩余的一个P轨道电子(Π电子)垂直于石墨烯平面，与周围碳原子的Π键形成离域大Π键。在石墨烯的同一原子面上只有两种空间位置不同的原子。

从结构上看，石墨烯是其他一切碳纳米材料的基本单元。例如，它可以翘曲成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆垛成三维的石墨。这种独特的结构特点赋予了石墨烯优异的物理、化学及力学等性能。

优异的导电性能。石墨烯结构非常稳定。石墨烯中各原子之间的连接非常柔韧，当石家外部机械力时，碳原子面发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构中的稳定性。这种稳定的晶体结构使碳原子具有优异的导电性。因为石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。另外，由于碳原子之间很强的相互作用力，因此，即时在常温下周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。其电子运动速度能达到光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

优异的力学性能。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍左右。理论计算和实验检测表明，石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别可达到125GPa和1100GPa。

优异的透光性能。实验和理论结果均表明，单层石墨烯仅仅吸收2.3％的可见光，即可见光的透光率高达97.7％，结合其优异的导电性能和力学性能，石墨烯可以代替氧化铟锡、掺氟氧化锡等传统导电薄膜材料，既可克服传统导电薄膜的脆性特点，也可解决铟资源短缺等问题。

这些独特的性能特点使石墨烯在电子器件(场效应、射频电路等)，光学器件(激光器、超快电子光学器件等)、量子效应器件，化学、生物传感器，复合材料、储能材料与器件(超级电容器、锂离子电池、燃料电池等)领域方面有广泛的应用前景。

目前，主流的石墨烯制备方法有机械剥离法、氧化还原法、外延生长法、化学气象沉积法等，其中氧化还原法由于其成本低廉、生产设备简易、单次产量最大、产品层数集中、横向尺寸均匀等优点成为工业化生产最常用方法。一方面，用氧化还原法制备的石墨烯，由于在氧化插层的过程中，其自身的晶体结构很容易被破坏，导致石墨烯内部缺陷增加，很大程度的影响了石墨烯的性能；另一方面，利用氧化还原法生产的石墨烯还存在大量金属、非金属杂质，这也进一步的影响了石墨烯的规模化发展与应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种可实现规模化、连续化生产石墨烯的系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯连续生产系统，在本发明连续生产系统的一个示例性实施例中，所述生产系统可以包括料仓、行进机构、反应单元和气氛控制单元，其中，所述反应单元包括顺序连接的第i反应区和第n反应区，n为自然数且≥2，i取到小于n的所有自然数；所述气氛控制单元包括相互配合的控温机构和控真空机构，其中，控温机构被设置为能够将所述第n反应区的温度控制为T_n，并将所述第i反应区的温度控制为T_i，其中，T_i＝w₁·i/n·T_n，w₁在0.80～1.20之间选择，T_n为1250℃以上；所述控真空机构被设置为能够将所述第n反应区的压强控制为P_n，并将所述第i反应区的压强控制为P_i，其中，P_i＝(P₀-P_n)·(1-i/n)，P₀表示1个标准大气压，P_n为30Pa～500Pa；所述料仓盛放含有官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯；所述行进机构用于可拆卸地设置料仓并带动料仓依次经历所述反应单元的第i反应区和第n反应区。

在本示例性实施例中，所述生产系统还可以包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于氧化石墨烯经历第n反应区后取出料仓中的石墨烯，所述加料机构用于取料机构取出石墨烯后向料仓中加入下一批待反应的氧化石墨烯。

在本示例性实施例中，所述反应单元的所有反应区可以呈环形设置，且所述第n反应区的出料口与第1反应区的进料口相邻设置。所述生产系统还可以包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于氧化石墨烯经历第n反应区进入第1反应区后取出石墨烯，所述加料机构用于取料机构取出石墨烯后向料仓中加入下一批待反应的氧化石墨烯。

在本发明连续生产系统的一个示例性实施例中，所述生产系统可以包括料仓、行进机构、第一反应单元、第一气氛控制单元、第二反应单元和第二气氛控制单元，所述第一反应单元包括顺序连接的第i反应区和第n反应区，n为自然数且≥2，i取到小于n的所有自然数；所述第一气氛控制单元包括相互配合的第一控温机构和第一控真空机构，其中，第一控温机构被设置为能够将所述第n反应区的温度控制为T_n，并将所述第i反应区的温度控制为T_i，其中，T_i＝w₁·i/n·T_n，w₁在0.80～1.20之间选择，T_n为1250℃以上；所述第一控真空机构被设置为能够将所述第n反应区的压强控制为P_n，并将所述第i反应区的压强控制为P_i，其中，P_i＝(P₀-P_n)·(1-i/n)，P₀表示1个标准大气压，P_n为30Pa～500Pa；所述第二反应单元包括顺序连接的第j反应区和第m反应区，m为自然数且≥2，j取到小于m的所有自然数，并且所述第一反应单元的第n反应区的出料口与第二反应单元的第1反应区的进料口相邻设置，第二反应单元的第m反应区的出料口与第一反应单元的第1反应区的进料口相邻设置；所述第二气氛控制单元包括相互配合的第二控温机构和第二控真空机构，其中，第二控温机构被设置为能够将所述第m反应区的温度控制为t_m，并将所述第j反应区的温度控制为t_j，其中，t_j＝k₁·j/m·t_m，k₁在0.80～1.20之间选择，t_m为1250℃以上；所述第二控真空机构被设置为能够将所述第m反应区的压强控制为p_m，并将所述第j反应区的压强控制为p_j，其中，P_j＝(P₀-P_m)·(1-j/m)，P₀表示1个标准大气压，p_m为30Pa～500Pa；所述料仓盛放含有官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯；所述行进机构用于可拆卸地设置料仓并带动料仓依次经历所述第一反应单元的第i反应区和第n反应区、以及第二反应单元的第m反应区和第j反应区。

在本示例性实施例中，所述生产系统还包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于在氧化石墨烯经历所述第n反应区和第m反应区后取出石墨烯，所述加料机构用于在所述取料机构取出石墨烯后放置下一批待反应的氧化石墨烯。

在本示例性实施例中，所述生产系统还包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于在氧化石墨烯经历所述第一反应单元的第n反应区进入第二反应单元的第1反应区以及经历所述第二反应单元的第m反应区进入第一反应单元的第1反应区后取出石墨烯，所述加料机构用于在所述取料机构取出石墨烯后放置下一批待反应的氧化石墨烯。

在上述任一个示例性实施例中，所述行进机构可以包括调速构件，所述调速构件能够控制其所带动的料仓处于不同反应区的时间。

在上述任一个示例性实施例中，所述料仓可以为石墨质料仓或与石墨烯接触面设置有石墨质涂层的料仓。

在上述任一个示例性实施例中，所述生产系统还可以包括与所述反应单元连接的杂质回收单元，用于对所述金属杂质和/或非金属杂质进行回收。

在上述任一个示例性实施例中，所述金属杂质为铁、锰、钾和钠中的一种或多种，所述非金属杂质为硫、硅中的一种或两种。

在上述任一个示例性实施例中，所述氧化石墨烯的碳氧比在0.5～2.0之间，所述石墨烯的碳氧比在18.0以上。

在上述任一个示例性实施例中，所述含氧官能团包括羧基、羟基、羰基、醚键和环氧基中的一种或多种。

在上述任一个示例性实施例中，所述氧化石墨烯可以平铺于所述料仓中。

在上述任一个示例性实施例中，所述石墨烯中的铁元素锰元素含量可以小于20PPm。

与现有技术相比，本发明系统的有益效果包括：一方面，本发明的连续生产系统通过设置不同的温度、压强区域，能够对氧化石墨烯进行预处理，能够提高石墨烯的生产效率；另一方面，本发明的系统充分利用了石墨烯熔沸点高的特点，通过高温来去除石墨烯中的金属、非金属杂质，同时除去氧化石墨烯所带的大量含氧官能团，能够修复氧化石墨烯在制备过程中所导致的SP³杂化缺陷，能够生产得到杂质含量低，结构缺陷少，综合性能优异的石墨烯；再一方面，本发明的连续生产系统结构简单，生产效率高，能够实现对余热的有效利用，节能环保，可以实现石墨烯的连续化生产。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例的石墨烯连续生产系统中的反应单元示意简图。

图2示出了本发明另一个示例性实施例的石墨烯连续生产系统的反应单元示意简图。

图3示出了本发明另一个示例性实施例的石墨烯连续生产系统示意简图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的一种石墨烯连续生产系统。

具体来讲，在现有制备氧化石墨烯的制备工艺中，例如利用Hummers制备氧化石墨烯，其制备的产品中均含有较多的金属和/或非金属杂质，从而导致制备的石墨烯不纯。在现有的石墨烯制备工艺中，特别是利用氧化还原方法制备的石墨烯，均会导致石墨烯中含有大量的金属和/或非金属杂质，并且在氧化插层过程中，石墨烯本身的晶体机构很容易被破坏，会导致石墨烯的内部缺陷增加，会很大程度的影响石墨烯的性能。本发明系统利用石墨烯与其含有杂质的熔沸点差异，通过设置不同的反应区，控制合理的反应温度以及压强，在有效去除杂质的同时，可以修复氧化石墨烯中的SP³结构缺陷并去除其含氧官能团，进而制备得到纯度较高的优质石墨烯。适当的温度区间可以使氧化石墨烯中的SP³结构缺陷得以修复，再辅以低压条件，可去除氧化石墨烯所带的大量氧化官能团，以形成石墨烯，可将金属和/或非金属杂质以气态的形式从氧化石墨烯中去除，进而制备得到纯度更高的优质石墨烯。设置不同的温度和压强区，可以对氧化石墨烯进行一个预处理，并能够合理利用预处理过程中所产生的余热，能够实现节能的效果，能够实现石墨烯的连续化生产。在低压强条件下使氧化石墨烯反应，能够降低氧化石墨烯中杂质的熔点和沸点，进而降低制备过程对温度的要求，可以达到节能和压缩成本的效果。

图1示出了本发明一个示例性实施例的石墨烯连续生产系统的反应单元示意简图。图2示出了本发明另一个示例性实施例的石墨烯连续生产系统的反应单元示意简图。图3示出了本发明再一个示例性实施例的石墨烯连续生产系统示意简图。

本发明提供了一种石墨烯连续生产系统，在本发明的石墨烯连续生产系统的一个示例性实施例中，所述生产系统可以包括料仓、行进机构、反应单元和气氛控制单元。

如图1所示，所述反应单元可以包括顺序连接的第i反应区和第n反应区，n为自然数且≥2，i取到小于n的所有自然数。即所述反应单元包括从第1反应区开始的n个反应区。氧化石墨烯从第1反应区开始，经历n个反应区直到经历第n反应区后反应结束。

所述气氛控制单元可以包括相互配合的控温机构和控真空机构。其中，控温机构被设置为能够将所述第n反应区的温度控制为T_n，并将所述第i反应区的温度控制为T_i。所述T_i＝w₁·i/n·T_n，w₁在0.80～1.20之间选择。所述控真空机构被设置为能够将所述第n反应区的压强控制为P_n，并将所述第i反应区的压强控制为P_i。所述P_i＝(P₀-P_n)·(1-i/n)，P₀表示1个标准大气压。

所述T_n可以为1250℃以上，进一步的，所述T_n可以为1700℃～2800℃，更进一步的，所述T_n可以为1700℃～2500℃，再进一步的，所述T_n可以为2200℃。由于2200℃是碳材料石墨化温度，并且还有利于修复氧化石墨烯的自身缺陷。所述P_n可以为30Pa～500Pa。进一步的，所述P_n可以为60Pa～100Pa。更进一步的，所述P_n可以为85Pa～95Pa。所述w₁可以在0.85～1.14之间选择，例如，w₁可以取0.95。

所述料仓用于盛放含有官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯。

所述行进机构用于可拆卸的安装所述料仓，并能够带动所述料仓依次经历所述反应单元的第i反应区和第n反应区。

在本实施例中，所述生产系统还包括取料机构和加料机构。所述取料机构可以用于在氧化石墨烯经历第n反应区反应完成后，取出制备得到的石墨烯。所述加料机构用于在取出制备得到的石墨烯后，向料仓中加入下一批需要反应的氧化石墨烯。

在本实施例中，如图2所示，所述第n反应区的出料口可以与第1反应区的进料口连接。即将每个反应区的进料口和出料口相邻设置，呈环形结构。这样的设置方式能够确保在第n反应区反应完成后，加入的下一批氧化石墨烯能够快速的进入第1反应区反应，有利于提高生产效率，实现石墨烯的连续生产。

进一步的，在第n反应区制备得到石墨烯后，当料仓继续移动到第1反应区时，在第1反应区取出制备得到的石墨烯，并在取出的同时或者稍后迅速添加下一批待反应的氧化石墨烯。在第1反应单元中取出制备得到的石墨烯并加入待反应氧化石墨烯的好处在于，一方面，由于料仓有余热，可以对料仓的余热进行再次利用，能够对第二批氧化石墨烯进行预先加热，节约能耗；另一方面，能够最大限度的保持第n反应区中的温度和压强；再一方面，由于第1反应区的压强要小于第n反应区的压强，如果在第n反应区中将石墨烯取出，势必会泄露更多的气压，造成浪费。因此，在温度较低，压强也较低的第1反应区中将第一批制备得到的石墨烯取出，然后再加入第二批氧化石墨烯继续反应，可以显著的节约能耗。由此，为了更好的配合上述方式的实施，所述生产系统还可以包括取料机构和加料机构。所述取料机构用于在上一批制备得到的石墨烯进入第1反应区后取出石墨烯。所述加料机构用于在第1反应区取出石墨烯后添加下一批待反应的氧化石墨烯。

在本发明的石墨烯连续生产系统的一个示例性实施例中，如图3所示，所述生产系统可以包括料仓、行进机构、第一反应单元、第一气氛控制单元、第二反应单元和第二气氛控制单元。

所述第一反应单元可以包括顺序连接的第i反应区和第n反应区，n为自然数且≥2，i取到小于n的所有自然数。所述第一反应单元包括从第1反应区直到第n反应区的n个反应区。所述n个反应区都有具有不同的温度和压强。

所述第一气氛控制单元可以包括相互配合的第一控温机构和第一控真空机构。所述第一控温机构被设置为能够将所述第n反应区的温度控制为T_n，并将所述第i反应区的温度控制为T_i。其中，T_i＝w₁·i/n·T_n，w₁在0.80～1.20之间选择。所述第一控真空机构被设置为能够将所述第n反应区的压强控制为P_n，并将所述第i反应区的压强控制为P_i。其中，P_i＝(P₀-P_n)·(1-i/n)，P₀表示1个标准大气压。所述T_n可以为1250℃以上，进一步的，所述T_n可以为1700℃～2800℃，更进一步的，所述T_n可以为1700℃～2500℃，再进一步的，所述T_n可以为2200℃。由于2200℃是碳材料石墨化温度，并且还有利于修复氧化石墨烯的自身缺陷。所述P_n可以为30Pa～500Pa。进一步的，所述P_n可以为60Pa～100Pa。更进一步的，所述P_n可以为85Pa～95Pa。所述w₁可以在0.85～1.14之间选择，例如，w₁可以取0.95。

所述第二反应单元可以包括顺序连接的第j反应区和第m反应区，m为自然数且≥2，j取到小于m的所有自然数。同样的，所述第二反应单元包括第1反应区至第m反应区的总共m个反应区。所述氧化石墨烯会依次通过上述m个反应区直到反应结束。所述第一反应单元的第n反应区的出料口与第二反应单元的第1反应区的进料口相邻设置，第二反应单元的第m反应区的出料口与第一反应单元的第1反应区的进料口相邻设置。即所述第一反应单元和第二反应单元的所有反应区首尾相接。当在第一反应单元的第n反应区制备完成后，料仓中加入下一批氧化石墨烯，并迅速进入第二反应单元的第1反应区，实现石墨烯的连续化生产。

所述第二气氛控制单元包括相互配合的第二控温机构和第二控真空机构。所述第二控温机构被设置为能够将所述第m反应区的温度控制为t_m，并将所述第j反应区的温度控制为t_j。其中，t_j＝k₁·j/m·t_m，k₁在0.80～1.20之间选择。所述第二控真空机构被设置为能够将所述第m反应区的压强控制为p_m，并将所述第j反应区的压强控制为p_j，其中，P_j＝(P₀-P_m)·(1-j/m)，P₀表示1个标准大气压。同样的，所述第m反应区控制的温度和压强与上述第n反应区中控制的温度和压强数值相同。所述T_m的温度设置与上述T_n的温度设置相同。所述P_j的压强设置可以为P_n的压强设置相同。所述k₁可以在0.85～1.14之间选择，例如，k₁可以取0.95。

所述料仓可以盛放含有官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯。

所述行进机构用于可拆卸地设置料仓并带动料仓依次经历所述第一反应单元的第i反应区和第n反应区、以及第二反应单元的第m反应区和第j反应区。

以上，所述第一反单元的第n反应区的出料口与所述第二反应单元第1反应区的进料口相邻设置。当第一批氧化石墨烯反应完成取出产品石墨烯后，加入第二批氧化石墨烯，盛有第二批氧化石墨烯的料仓进入第二反应单元的第1反应区，在第二反应单元的反应区中进行反应。对于刚出第一反应单元第n反应区的料仓具有一定的余热，在进入第二反应单元时，可以利用料仓的余热对第二批氧化石墨烯进行加热，可以实现对高温料余热的有效利用，节约能耗。

在本实施例中，为了生产过程中的取料和加料方便，所述生产系统还可以包括取料机构和加料机构。所述取料机构用于在氧化石墨烯经历第一反应单元的第n反应区后，在第n反应区中取出制备得到的石墨烯。以及还用于在氧化石墨烯经历第二反应单元的第m反应区后，在第m反应区取出制备得到的石墨烯。所述放料单元用于在第n反应区和第m反应区制备得到的石墨烯被取料机构取出后，添加下一批次需要反应的氧化石墨烯。

在本实施例中，在所述第一反应单元第n反应区制备得到的石墨烯可以在料仓进入第二反应单元的第1反应区中取出，并取料的同时加入一批次待反应的氧化石墨烯。在第二反应单元的第m反应区制备得到的石墨烯可以在料仓进入第一反应单元的第1反应区中取出，并取料的同时加入下一批待反应的氧化石墨烯。设置上述取料方法的好处在于，一方面，由于料仓有余热，可以对余热进行再次利用，能够对第二批氧化石墨烯进行预先加热，节约能耗；另一方面，能够做大限度的保持第一反应单元第n反应区中的温度和压强；再一方面，由于第二反应单元的第1反应区的压强要小于第一反应单元第n反应区的压强，如果在第n反应区中将石墨烯取出，势必会泄露更多的气压，造成浪费。因此，在温度较低，压强也较低的第二反应单元的第1反应区中将第一批制备得到的石墨烯取出，然后再加入第二批氧化石墨烯继续反应，可以显著的节约能源。

为了配合上述取料方法，所述生产系统还可以包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于在第二反应单元的第1反应区中取出第一反应单元制备得到的石墨烯，以及在第一反应单元的第1反应区中取出第二反应单元制备得到的石墨烯。所述放料单元用于与所述取料单元配合使用。当取料单元取出制备得到的石墨烯后，所述放料单元用于重新在料仓中添加下一批需要反应的氧化石墨烯。

在上述任意一个示例性实施例中，所述行进机构还包括调速构件。所述调速构件用于控制料仓在每个反应区中的反应时间。所述反应时间可以是经验值或者给定值。

在上述任意一个示例性实施例中，所述生产系统还可以包括回收单元。由于氧化石墨中的杂质和/或非金属杂质在高温下通过气体的形式挥发去除。在反应区的外部设置回收单元，能够实现对氧化石墨烯中的杂质回收再利用。

在上述任意一个示例性实施例中，所述金属杂质可以包括铁、锰、钾、钠等中的一种或几种组合。所述非金属杂质可以包括硫、硅等杂质中的一种或者两种组合。

以上，氧化石墨烯中含有的金属杂质和非金属杂质在高温真空环境下是以气态的形式挥发出去。在高温下，例如在2000℃左右的高温条件下，可以达到氧化石墨烯中含有的金属杂质和非金属杂质的熔点和沸点，以从氧化石墨烯中分离。进一步的，在一定的真空度下，金属杂质和非金属杂质的熔点和沸点会进一步的降低，通过本发明设置的温度以及真空度很容易去除氧化石墨烯中含有的金属杂质和非金属杂质。本发明的氧化石墨烯中含有的金属和非金属杂质的种类不限于以上所述的杂质，其他能在本发明的高温及真空环境下能够挥发的杂质均可。

在上述任意一个示例性实施例中，设置温度T_n或者T_m为1250℃以上的好处在于，如果温度低于1250℃，不利于杂质的挥发出去，可能达不到某些杂质的熔点和沸点。例如，设置的温度可以为1250℃～2500℃。本发明的如果设置的温度高于2800℃，温度太高可能会对炉子的损耗严重，能耗较大，成本较高。更进一步的，温度T_n或者T_m可以为2200℃。由于2200℃是碳材料石墨化温度，并且还有利于修复氧化石墨烯的自身缺陷。设置压强P_n为30Pa～500Pa好处在于，在上述压强真空度下，氧化石墨烯含有的杂质的熔点和沸点均较低，更容易挥发去除。

在上述任意一个示例性实施例中，所述石墨烯中铁元素和锰元素含量可以达到小于20PPm，进一步的，可以达到小于15PPm。在现有制备石墨烯的方法中，所制备得到的石墨烯的铁含量一般都在2000PPm以上，本发明的生产系统可以有效的减少石墨烯中含有的杂质铁，可以更好的利用于作为锂离子电池导电添加剂。所述石墨烯的比表面积可以达到220m²/g以上。导电率可以达到900S/cm以上。

在上述任意一个示例性实施例中，所述氧化石墨烯中的官能团包括羧基、羟基、羰基、醚键和环氧基中的一种或多种。上述含氧官能团在本发明设置的高温以及压强条件下可以分解为二氧化碳和水，可以有效的去除氧化石墨烯中的含氧官能团。理论上来讲，在温度1000℃以及本发明的真空环境下可以将官能团去除，但是由于杂质去除的温度较高，因此，本发明设置的温度应该高于1250℃。当然，本发明的含氧官能团不限于此，能在本发明的温度及压强下分解为二氧化碳和水的均可。

在上述任意一个示例性实施例中，为了避免料仓对石墨烯纯度造成影响，并且由于石墨的熔点高达3652℃，远高于常见金属杂质和非金属杂质的熔沸点，且处理过程中，石墨烯中不会因为载体材质而引入其他元素杂质。因此，可以使用石墨制料仓或者在表面涂覆有石墨层的料仓，例如，石墨钵。但本发明不局限于此，所述料仓材质还可选用其他熔沸点较高的材质，例如钨箔、碳化钽料仓或碳化铪料仓等。为了使氧化石墨烯的受热面积更大，利于充分去除杂质，同时在氧化石墨烯一定量的情况下，生成面积更大的石墨烯，优选，将所述氧化石墨烯铺平于所述料仓中。

在上述任意一个示例性实施例中，所述原料氧化石墨烯中含有的碳氧比可以在0.5～2.0之间。碳氧比最高可以达到2(C:O＝2:1)。经过本发明的方法反应后，石墨烯中的碳氧比可以提高到18以上，例如，可以达到20。氧主要来自与氧化石墨烯中的含氧官能团，氧含量越低，表明含氧官能团的数量越少，制备得到的石墨烯的性能越好。

综上所述，本发明的连续生产系统设置不同的温度、压强区域，充分利用了石墨烯熔沸点高的特点，通过高温来去除石墨烯中的金属、非金属杂质，同时除去氧化石墨烯所带的大量含氧官能团，修复氧化石墨烯在制备过程中所导致的SP³杂化缺陷；生产系统结构简单，生产效率高，能够有效的利用余热，节能环保，可以实现石墨烯的连续化生产；制备得到的石墨烯杂质含量低，结构缺陷少，综合性能优异。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述生产系统包括料仓、行进机构、反应单元和气氛控制单元，其中，

所述反应单元包括顺序连接的第i反应区和第n反应区，n为自然数且≥2，i取到小于n的所有自然数；

所述气氛控制单元包括相互配合的控温机构和控真空机构，其中，控温机构被设置为能够将所述第n反应区的温度控制为T_n，并将所述第i反应区的温度控制为T_i，其中，T_i＝w₁·i/n·T_n，w₁在0.80～1.20之间选择，T_n为1250℃以上；所述控真空机构被设置为能够将所述第n反应区的压强控制为P_n，并将所述第i反应区的压强控制为P_i，其中，P_i＝(P₀-P_n)·(1-i/n)，P₀表示1个标准大气压，P_n为30Pa～500Pa；

所述料仓盛放含有官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯，且所述氧化石墨烯铺平于所述料仓中；

所述行进机构用于可拆卸地设置料仓并带动料仓依次经历所述反应单元的第i反应区和第n反应区。

2.根据权利要求1所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述生产系统还包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于氧化石墨烯经历第n反应区后取出料仓中的石墨烯，所述加料机构用于取料机构取出石墨烯后向料仓中加入下一批待反应的氧化石墨烯。

3.根据权利要求1所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述反应单元的所有反应区呈环形设置，且所述第n反应区的出料口与第1反应区的进料口相邻设置。

4.根据权利要求3所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述生产系统还包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于氧化石墨烯经历第n反应区进入第1反应区后取出石墨烯，所述加料机构用于取料机构取出石墨烯后向料仓中加入下一批待反应的氧化石墨烯。

5.一种石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述生产系统包括料仓、行进机构、第一反应单元、第一气氛控制单元、第二反应单元和第二气氛控制单元，

所述第一反应单元包括顺序连接的第i反应区和第n反应区，n为自然数且≥2，i取到小于n的所有自然数；

所述第一气氛控制单元包括相互配合的第一控温机构和第一控真空机构，其中，第一控温机构被设置为能够将所述第n反应区的温度控制为T_n，并将所述第i反应区的温度控制为T_i，其中，T_i＝w₁·i/n·T_n，w₁在0.80～1.20之间选择，T_n为1250℃以上；所述第一控真空机构被设置为能够将所述第n反应区的压强控制为P_n，并将所述第i反应区的压强控制为P_i，其中，P_i＝(P₀-P_n)·(1-i/n)，P₀表示1个标准大气压，P_n为30Pa～500Pa；

所述第二反应单元包括顺序连接的第j反应区和第m反应区，m为自然数且≥2，j取到小于m的所有自然数，并且所述第一反应单元的第n反应区的出料口与第二反应单元的第1反应区的进料口相邻设置，第二反应单元的第m反应区的出料口与第一反应单元的第1反应区的进料口相邻设置；

所述第二气氛控制单元包括相互配合的第二控温机构和第二控真空机构，其中，第二控温机构被设置为能够将所述第m反应区的温度控制为t_m，并将所述第j反应区的温度控制为t_j，其中，t_j＝k₁·j/m·t_m，k₁在0.80～1.20之间选择，t_m为1250℃以上；所述第二控真空机构被设置为能够将所述第m反应区的压强控制为p_m，并将所述第j反应区的压强控制为p_j，其中，P_j＝(P₀-P_m)·(1-j/m)，P₀表示1个标准大气压，p_m为30Pa～500Pa；

所述料仓盛放含有官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯，且所述氧化石墨烯铺平于所述料仓中；

所述行进机构用于可拆卸地设置料仓并带动料仓依次经历所述第一反应单元的第i反应区和第n反应区、以及第二反应单元的第m反应区和第j反应区。

6.根据权利要求5所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述生产系统还包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于在氧化石墨烯经历所述第n反应区和第m反应区后取出石墨烯，所述加料机构用于在所述取料机构取出石墨烯后放置下一批待反应的氧化石墨烯。

7.根据权利要求5所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述生产系统还包括取料机构和加料机构，所述取料机构用于在氧化石墨烯经历所述第一反应单元的第n反应区进入第二反应单元的第1反应区以及经历所述第二反应单元的第m反应区进入第一反应单元的第1反应区后取出石墨烯，所述加料机构用于在所述取料机构取出石墨烯后放置下一批待反应的氧化石墨烯。

8.根据权利要求1、3或5所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述行进机构包括调速构件，所述调速构件能够控制其所带动的料仓处于不同反应区的时间。

9.根据权利要求1、3或5所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述料仓为石墨质料仓或与石墨烯接触面设置有石墨质涂层的料仓。

10.根据权利要求1、3或5所述的石墨烯连续生产系统，其特征在于，所述生产系统还包括与所述反应单元连接的杂质回收单元，用于对所述金属杂质和/或非金属杂质进行回收。

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