CN111056548A - 一种少层石墨烯和氢气的联产方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种少层石墨烯和氢气的联产方法及其装置，其中，少层石墨烯和氢气的联产方法包括在反应容器中加入含金属催化剂，并将该含金属催化剂加热至熔融状态；将烃类气体通入熔融状态的含金属催化剂中，并使该烃类气体在熔融状态的含金属催化剂中形成微米气泡，得到反应后的固体产物和气体；将固体产物收集并纯化，得到少层石墨烯，将气体收集并分离，得到氢气。本申请的少层石墨烯和氢气的联产方法及其装置可以通过控制催化剂组分、微米气泡尺寸、烃类气体通入速率及反应温度，实现烃类气体高效转化为少层石墨烯和氢气，具有制备条件简单、成本低廉、环境友好、生长参数的窗口较宽以及重复性好等优点。

Description

一种少层石墨烯和氢气的联产方法及其装置
技术领域
本发明涉及石墨烯制备领域，特别涉及一种少层石墨烯和氢气的联产方法及其装置。
背景技术
石墨烯材料作为二维材料家族的典型代表，其独特的零带隙半金属特性、高电子迁移率、优异的透光性能以及极高的机械强度和热导率，使得其自被成功制备的十五年来一直受到学术界和工业界的广泛讨论。基于其优异特性，石墨烯材料已经或将要在触摸屏、柔性显示系统、高频器件、逻辑器件以及其他显示和电子学器件中崭露头角。
目前，少层石墨烯可通过电化学法或物理化学法实现规模化制备，然而该方案所得的石墨烯材料质量较差，同时高耗能、高污染的问题制约了其绿色发展。与此同时，利用化学气相沉积工艺，高质量单层石墨烯材料可通过催化裂解烃类气体在不同金属或合金衬底表面实现可控制备，所得石墨烯材料横向尺寸大、结晶质量高，具有重要的应用前景。然而，这一工艺目前面临两方面问题：一是表面限制效应使得高质量少层(层数少于10层)石墨烯难以有效制备；二是长期以来忽视了产物气体的筛选、分离和再利用，造成极大的资源浪费和环境负担。因此，如何实现烃类气体高效转化为高质量少层石墨烯材料的同时实现烃类气体的洁净转化和再利用是目前学术界和工业界的难点。
发明内容
本申请实施例提供了一种少层石墨烯和氢气的联产方法及其装置，可以实现烃类气体高效转化为高质量少层石墨烯材料的同时实现烃类气体的洁净转化和再利用。
一方面，本申请实施例提供了一种少层石墨烯和氢气的联产方法，包括如下步骤：
在反应容器中加入含金属催化剂，并将该含金属催化剂加热至熔融状态；
将烃类气体通入熔融状态的含金属催化剂中，并使该烃类气体在熔融状态的含金属催化剂中形成微米气泡，得到反应后的固体产物和气体；
将固体产物收集并纯化，得到少层石墨烯，将气体收集并分离，得到氢气。
可选地，含金属催化剂包括铜催化剂、镍催化剂、铁催化剂、铈催化剂、铜镍合金催化剂、铁镍合金催化剂、含铈氯化物催化剂、含铈溴化物催化剂、含钠溴化物催化剂和含钾溴化物催化剂中的至少一种。
可选地，烃类气体包括烷烃、烯烃和炔烃中的至少一种。
可选地，烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、丁炔天然气和液化石油气中的至少一种。
可选地，含金属催化剂的加热温度为500℃～1500℃。
可选地，烃类气体的通入流量为100sccm～100000sccm。
可选地，微米气泡的尺寸为1μm～1cm。
另一方面，本申请实施例还提供了一种少层石墨烯和氢气的联产装置，包括反应室、烃类气体通入系统、固体产物处理系统以及气体回收处理系统；
烃类气体通入系统包括微气泡发生装置以及气体传输管道，微气泡发生装置设置于反应室内，气体传输管道连接至微气泡发生装置；
固体产物处理系统连接至反应室，用于收集并纯化反应后的固定产物以得到少层石墨烯；
气体回收处理系统连接至固体产物处理系统尾端，用于收集并分离反应后的气体以得到氢气，并将除氢气以外的其他气体回收。
可选地，烃类气体通入系统还包括气体流量控制单元。
可选地，微气泡发生装置由多孔透气结构构成。
采用上述技术方案，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：
本申请实施例的少层石墨烯和氢气的联产方法，可以通过控制催化剂组分、微米气泡尺寸、烃类气体通入速率及反应温度，实现烃类气体高效转化为少层(层数小于10层)石墨烯和氢气，具有制备条件简单、成本低廉、环境友好、生长参数的窗口较宽以及重复性好等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种可选的少层石墨烯和氢气的联产方法的流程图；
图2为本申请实施例一种可选的少层石墨烯和氢气的联产装置的示意图；
图3为本申请实施例一种可选的烃类气体通入系统的示意图；
图4为本申请实施例一种可选固体产物处理系统的流程图；
图5为本申请实施例一种可选气体回收处理系统的流程图。
以下对附图作补充说明：
1-反应室；2-烃类气体通入系统；3-固体产物处理系统；4-气体回收处理系统；5-烃类气体贮存罐；6-含金属催化剂；7-微米气泡；8-固体产物；101-耐高温坩埚；102-耐高温炉堵；201-微气泡发生装置；202-气体传输管道；203-气体流量控制单元；204-减压阀；203a-气体流量控制器；203b-信号传输线缆；203c-气体流量控制软件。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
为了下面的详细描述的目的，应当理解，本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序，除非明确规定相反。此外，除了在任何操作实例中，或者以其他方式指出的情况下，表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非相反指出，否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。
尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。
一方面，请参见图1，本申请实施例提供了一种少层石墨烯和氢气的联产方法，包括如下步骤：
在反应容器中加入含金属催化剂，并将该含金属催化剂加热至熔融状态；
将烃类气体通入熔融状态的含金属催化剂中，并使该烃类气体在熔融状态的含金属催化剂中形成微米气泡，得到反应后的固体产物和气体；
将固体产物收集并纯化，得到少层石墨烯，将气体收集并分离，得到氢气。
作为一种可选的实施方式，含金属催化剂包括铜催化剂、镍催化剂、铁催化剂、铈催化剂、铜镍合金催化剂、铁镍合金催化剂、含铈氯化物催化剂、含铈溴化物催化剂、含钠溴化物催化剂和含钾溴化物催化剂中的至少一种。
作为一种可选的实施方式，烃类气体包括烷烃、烯烃和炔烃中的至少一种。
作为一种可选的实施方式，烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、丁炔天然气和液化石油气中的至少一种。
作为一种可选的实施方式，含金属催化剂的加热温度为500℃～1500℃。
作为一种可选的实施方式，烃类气体的通入流量为100sccm～100000sccm。
作为一种可选的实施方式，微米气泡的尺寸为1μm～1cm。
另一方面，请参见图2，本申请实施例还提供了一种少层石墨烯和氢气的联产装置，包括反应室1、烃类气体通入系统2、固体产物处理系统3以及气体回收处理系统4；
烃类气体通入系统2包括微气泡发生装置201以及气体传输管道202，微气泡发生装置201设置于反应室内，气体传输管道202的输出端连接至微气泡发生装置，气体传输管道202的输入端连接至反应室外部的烃类气体贮存罐5；
固体产物处理系统3连接至反应室1，用于收集并纯化反应后的固定产物以得到少层石墨烯；
气体回收处理系统4连接至固体产物处理系统3尾端，用于收集并分离反应后的气体以得到氢气，并将除氢气以外的其他气体回收。
作为一种可选的实施方式，微气泡发生装置由耐高温的多孔透气结构构成。
由于固体产物需要在气体的带动下才能够进行收集，因此，固体产物系统3直接连接反应室1，并收集固体产物及气体，当固体产物被分离出来后，气体回收处理系统4自固体产物处理系统3的尾端收集气体，并将氢气分离以及除氢气以外的其他气体回收。
在具体实施中，如图2所示，反应室1包括耐高温坩埚101和耐高温炉堵102，耐高温炉堵102设置于耐高温坩埚101的开口处，微气泡发生装置201设置于耐高温坩埚101内。
烃类气体通入系统2还包括气体流量控制单元203和减压阀204，如图3所示，具体地，该气体流量控制单元203可以包括气体流量控制器203a、信号传输线缆203b和气体流量控制软件203c；通过减压阀204和气体传输管道202将烃类气体贮存罐5中的烃类气体引入气体流量控制器203a中，将气体流量控制器203a通过信号传输线缆203b连接至气体流量控制软件203c，实现对气体流量的精确控制，精准流量的烃类气体再通过气体传输管道202传输至反应室1内的微气泡发生装置201，并形成烃类气体的微米气泡7分散与熔融状态的含金属催化剂6中。
需要说明的是，上述的气体传输管道202包括连接烃类气体贮存罐5与气体流量控制器203a的第一段以及连接气体流量控制器203a与微气泡发生装置201的第二段，其中，第二段气体传输管道202应采用耐高温材料制成，具体地，可采用以下耐高温材料中的一种：熔石英、石墨、氧化铝、氧化镁或氮化硼。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种少层石墨烯和氢气的联产方法，包括如下步骤：
在反应室1中加入铜催化剂，并将铜催化剂加热至熔融状态，加热温度为1200℃。
将纯度不低于99.9％的高纯甲烷通过减压阀204、气体传输管道202、气体流量控制单元203以及微气泡发生装置201通入熔融状态的铜催化剂中，甲烷经过微气泡发生装置201形成微米气泡，该甲烷的微米气泡被熔融的铜催化剂催化分解，得到反应后的固体产物8和气体；将甲烷形成微米气泡增加了甲烷与铜催化剂的接触面积，且甲烷的微米气泡可以在熔融状态的铜催化剂中滞留更长的时间，有助于提高反应效率，实现烃类气体高效转化为少层(层数小于10层)石墨烯和氢气。
反应后的固体产物8由于密度小于金属催化剂的密度，会浮于熔融状态的金属催化剂上方，固体产物8中除了少层石墨烯外，通常会混入金属催化剂杂质，这极大地影响了少层石墨烯纯度并降低其应用性能，因此，还需要固体产物处理系统3将固体产物8收集并纯化，得到少层石墨烯，其具体流程可参照图4，包括：
将固体产物收集并贮存，贮存装置为敞口箱体；
将固体产物纯化处理以去除金属催化剂杂质，纯化工艺包括金属酸洗、去离子水冲洗以及干燥等步骤；
将所得少层石墨烯收集并贮存，贮存装置为密闭箱体；
将纯化工艺中产生的工业废液及废渣进行二次处理。
反应后的气体不仅有氢气组分，同时混杂未反应的烃类气体和反应不充分的副产物气体，为了保证氢气纯度以及烃类气体的洁净使用，因此，还需要气体回收处理系统4收集并分离反应后的气体以得到氢气，并将除氢气以外的其他气体回收利用，具体流程可参照图5，包括：
将气体收集并贮存，贮存装置为密闭的钢制罐体；
将气体通过分子筛选以及分离系统分离，并将分离出的氢气贮存；
将除氢气以外的其他气体，也即是未反应的烃类气体及副产物气体循环导入至烃类气体贮存罐5中，用于后续少层石墨烯和氢气的联产制备。
通过上述实施例的少层石墨烯和氢气的联产方法，可以实现少层石墨烯和氢气联产制备，得到的少层石墨烯层数少于10层且具有较高的结晶性，同时通过对产物气体的筛选、分离和收集，实现氢气的高效产出。
前述的实施例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。

Claims (10)

1.一种少层石墨烯和氢气的联产方法，其特征在于，包括如下步骤：
在反应容器中加入含金属催化剂，并将所述含金属催化剂加热至熔融状态；
将烃类气体通入所述熔融状态的含金属催化剂中，并使所述烃类气体在所述熔融状态的含金属催化剂中形成微米气泡，得到反应后的固体产物和气体；
将所述固体产物收集并纯化，得到少层石墨烯，将所述气体收集并分离，得到氢气。
2.根据权利要求1所述的少层石墨烯和氢气的联产方法，其特征在于，所述含金属催化剂包括铜催化剂、镍催化剂、铁催化剂、铈催化剂、铜镍合金催化剂、铁镍合金催化剂、含铈氯化物催化剂、含铈溴化物催化剂、含钠溴化物催化剂和含钾溴化物催化剂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的少层石墨烯和氢气的联产方法，其特征在于，所述烃类气体包括烷烃、烯烃和炔烃中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的少层石墨烯和氢气的联产方法，其特征在于，所述烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、丁炔天然气和液化石油气中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的少层石墨烯和氢气的联产方法，其特征在于，所述含金属催化剂的加热温度为500℃～1500℃。
6.根据权利要求1所述的少层石墨烯和氢气的联产方法，其特征在于，所述烃类气体的通入流量为100sccm～100000sccm。
7.根据权利要求1所述的少层石墨烯和氢气的联产方法，其特征在于，所述微米气泡的尺寸为1μm～1cm。
8.一种少层石墨烯和氢气的联产装置，其特征在于，包括反应室、烃类气体通入系统、固体产物处理系统以及气体回收处理系统；
所述烃类气体通入系统包括微气泡发生装置以及气体传输管道，所述微气泡发生装置设置于所述反应室内，所述气体传输管道连接至所述微气泡发生装置；
所述固体产物处理系统连接至所述反应室，用于收集并纯化反应后的固定产物以得到少层石墨烯；
所述气体回收处理系统连接至所述固体产物处理系统尾端，用于收集并分离反应后的气体以得到氢气，并将除氢气以外的其他气体回收。
9.根据权利要求8所述的少层石墨烯和氢气的联产装置，其特征在于，所述烃类气体通入系统还包括气体流量控制单元。
10.根据权利要求8所述的少层石墨烯和氢气的联产装置，其特征在于，所述微气泡发生装置由多孔透气结构构成。
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