CN112479191B - 一种高压混合放电的石墨烯生产方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压混合放电的石墨烯生产方法和装置，一种高压混合放电的石墨烯生产方法包括以下步骤：(1)预热阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行预热，使碳源升温，并达到甲烷的燃点，甲烷在氧气的助燃下剧烈燃烧；(2)第一次激发阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第一次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上；(3)第二次激发阶段：进行高压电极的正负极调换，向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第二次激发。所述高压混合放电的石墨烯生产方法，生产效率高、易操作、环保无污染、产物纯度高的特点，所述高压混合放电的石墨烯生产装置，结构简单，能够实现使用电场控制碳源反应的目的。

Description

一种高压混合放电的石墨烯生产方法和装置

技术领域

本发明涉及石墨烯生产技术领域，尤其涉及一种高压混合放电的石墨烯生产方法和装置。

背景技术

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在电子器件、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。目前市面上有各类制备石墨烯的方法，如机械剥离法、液相剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法(CVD)。但是各类制备的方法仍有不同的缺陷。

机械剥离法生成的石墨烯面积小、层数多且不均匀，因此并没有用于石墨烯工业生产。液相剥离法分离出来的石墨烯的层数随机、且不纯净，混有石墨，同时需要用到大量溶液，对环境不友好。氧化还原法制备的石墨烯缺陷也同样明显，破坏性的氧化过程使石墨烯上有大量的缺陷，各项性能远低于一般的石墨烯，难以利用。化学气相沉积法(CVD)可以生成大尺寸、层数少、质量高的石墨烯。但该方法成本极高，且生产效率极低，无法实现工业化批量生产。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种高压混合放电的石墨烯生产方法，生产效率高、易操作、环保无污染、产物纯度高的特点，解决了现有石墨烯生产方法生产效率低、产物纯度低和不环保的问题；

本发明的另一目的在于提出一种高压混合放电的石墨烯生产装置，结构简单，能够实现使用电场控制碳源反应的目的，解决了现有石墨烯生产装置生产石墨烯纯度低、生产效率低的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种高压混合放电的石墨烯生产方法，包括以下步骤：

(1)预热阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行预热，使碳源升温，并达到甲烷的燃点，甲烷在氧气的助燃下剧烈燃烧；

(2)第一次激发阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第一次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上；

(3)第二次激发阶段：进行高压电极的正负极调换，向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第二次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上；

(4)放电加工结束，得到石墨烯粉末。

更进一步说明，所述甲烷的生产方法具体为：将有机质放入沼气池中，有机质在15～50℃下分解成包括甲烷的气体，经过低温液化提取气体中的甲烷。

更进一步说明，所述步骤(1)中，进行预热的预热时间为2～10s。

更进一步说明，所述碳源为具有导电性的富碳粉末和不导电的富碳粉末中的任意一种或两种的组合；

所述具有导电性的富碳粉末包括炭粉和煤粉中的任意一种或两种的组合；

所述不导电的富碳粉末包括木材碎屑、农产品碎屑、塑料粉末和橡胶粉末中的任意一种或多种的组合。

一种高压混合放电的石墨烯生产装置，用以实现所述的高压混合放电的石墨烯生产方法，包括腔体，所述腔体的上部的两侧分别设有可开合的第一隔板和第二隔板，且所述第一隔板和第二隔板相连接，所述第一隔板的顶部设有进气管道，所述第二隔板的顶部设有进料管道；

所述腔体的底部设有可开合的第三隔板，所述第一隔板和第二隔板与所述第三隔板之间形成腔室，所述腔体的两侧于所述腔室处分别设有一个高压电极。

更进一步说明，还包括放电装置，所述放电装置包括高压电源、控制电路、电输入接口、混合开关装置、输出缓冲接口和负载接头，所述高压电源的输出端电连接有所述控制电路，所述控制电路的输出端电连接有所述电输入接口，所述混合开关装置包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述电输入接口的电流输出端分别与所述第一开关和第三开关电连接，所述输出缓冲接口的电流输入端分别与所述第二开关和第四开关电连接，所述负载接头的一端并联有所述第一开关和第二开关，所述负载接头的另一端并联有第三开关和第四开关；

所述负载接头的两端分别与两个所述高压电极电连接并为所述高压电极供电。

更进一步说明，所述高压电源和控制电路之间还串联有滤波器。

更进一步说明，所述控制电路包括沿电流方向依次串联的电容区、主接触器和电流传感器，所述电容区由多个电容通过并联和串联组成，所述电容区并联有电压传感器。

更进一步说明，所述控制电路还包括控制器，所述电压传感器和电流传感器的信号输出端分别与所述控制器的信号输入端电连接，所述控制器的信号输出端与所述主接触器的信号输入端电连接。

更进一步说明，所述腔体的内壁采用耐高温材料制成，所述耐高温材料为铝合金板、石英板或者带有耐高温涂层材料的高强度基板；

所述腔体的侧壁分别与所述第一隔板、第二隔板和第三隔板的接口处涂覆有耐高温阻燃涂料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过实施精准放电技术对碳源进行加工，通过高压电极的正负极调换使碳源充分反应，有效提升石墨烯的纯度及产率，解决了现有石墨烯批量制备过程中的生产效率低以及对环境不友好的问题，在保证石墨烯有优良品质的基础上，实现了石墨烯生产高效率、易操作、环保无污染的需求；

2、通过采用有机质作为原料，将有机质分解成甲烷、二氧化碳、氢、硫化氢、一氧化碳等气体，经过低温液化，将甲烷提取出，实现生产过程的绿色和可持续，利用甲烷作为加工部分的能量来源，降低能耗的同时减少了废气排放；

3、使用电场进行化学碳化过程和物理剥离过程，足以克服石墨层结合力，使碳化(去除碳氢氧元素)后的石墨碳成功剥离为片层，因此可以适用于几乎所有含碳碳源(无论是碳化还是非碳化碳源)，有效扩大了石墨烯加工碳源的种类，为高质量高效率石墨烯的大批量制备提供了有效的解决方案。

附图说明

附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一个实施例的高压混合放电的石墨烯生产流程示意图；

图2是本发明一个实施例的高压混合放电的石墨烯生产装置的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的高压混合放电的石墨烯生产过程示意图；

图4是本发明一个实施例的高压混合放电的石墨烯生产装置的放电装置的结构示意图；

其中：腔体100、第一隔板101、第二隔板102、进气管道103、进料管道104、第三隔板105、腔室106、高压电极107、高压电源201、电输入接口202、输出缓冲接口203、负载接头204、滤波器205、电容区206、主接触器207、电流传感器208、电压传感器209、控制器200、第一开关301、第二开关302、第三开关303、第四开关304。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

如图1所示，一种高压混合放电的石墨烯生产方法，包括以下步骤：

(1)预热阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行预热，使碳源升温，并达到甲烷的燃点，甲烷在氧气的助燃下剧烈燃烧；

(2)第一次激发阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第一次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上；

(3)第二次激发阶段：进行高压电极的正负极调换，向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第二次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上；

(4)放电加工结束，得到石墨烯粉末。

具体地，本发明的石墨烯生产方法中，包括预热阶段、第一次激发阶段和第二次激发阶段，在预热阶段有小幅度的电流通过碳源并且产生少量焦耳热对反应区进行预热，使碳源小幅升温并达到甲烷的燃点538℃，而后甲烷在氧气的助燃下剧烈燃烧，使碳源中的有机物以及含碳物质快速碳化，碳源的电阻急剧下降，本预热阶段可以使含碳物质碳化并提高反应物质温度，提高激发阶段的反应效率；

随后进入激发阶段，提高高压电极的电压量，大量电流通过产生大量焦耳热，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上，通过第一次激发，高压电极迅速放出大量电量并使碳源完全碳化，并生成涡轮堆垛式的石墨烯；第一次激发完成后，进行高压电极的正负极调换(通过实验现象表明，越靠近负载正极反应越激烈，因此通过切换高压电极的极性，可以使反应更加均匀，提升石墨烯的纯度及产率)，进行第二次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上，最终90wt％～95wt％的碳源转变为石墨烯粉末。

所述高压混合放电的石墨烯生产方法，通过实施精准放电技术对碳源进行加工，通过高压电极的正负极调换使碳源充分反应，有效提升石墨烯的纯度及产率，解决了现有石墨烯批量制备过程中的生产效率低以及对环境不友好的问题，在保证石墨烯有优良品质的基础上，实现了石墨烯生产高效率、易操作、环保无污染的需求。

具体地，所述甲烷的生产方法具体为：将有机质放入沼气池中，有机质在15～50℃下分解成包括甲烷的气体，经过低温液化提取气体中的甲烷。

通过采用有机质作为原料，实现生产过程的绿色和可持续，利用甲烷作为加工部分的能量来源，降低能耗的同时减少了废气排放。

具体地，所述生产方法为：将有机质放入沼气池中，在15～50℃下，甲烷菌迅速繁殖，将有机质分解成甲烷、二氧化碳、氢、硫化氢、一氧化碳等气体，其中甲烷占60％～70％，经过低温液化，将甲烷提取出，并储存在气体收集瓶中。

更进一步说明，所述步骤(1)中，进行预热的预热时间为2～10s。

所述步骤(1)中，预热阶段可以使含碳物质碳化并提高反应物质温度，提高激发阶段的反应效率，预热时间为2～10s，如果预热时间太短，则碳化不完全，导致最终制备出来的石墨烯存在较多杂质。

更进一步说明，所述碳源为具有导电性的富碳粉末和不导电的富碳粉末中的任意一种或两种的组合；

所述具有导电性的富碳粉末包括炭粉和煤粉中的任意一种或两种的组合；

所述不导电的富碳粉末包括木材碎屑、农产品碎屑、塑料粉末和橡胶粉末中的任意一种或多种的组合。

其他石墨烯的制备方法中，每一种方法仅对特定碳源有效，比如①CVD方法中，碳源前驱体是气态烃类(如甲烷、乙烯、乙炔)，液态碳源(如乙醇、苯、甲苯)，或固态碳源(如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、无定形碳)，碳源范围仍然受限。②机械剥离法，碳源前驱体为石墨，③氧化还原法(Hummers法)，碳源前驱体为石墨，而本发明使用电场进行化学碳化过程和物理剥离过程，足以克服石墨层结合力，使碳化(去除碳氢氧元素)后的石墨碳成功剥离为片层，因此可以适用于几乎所有含碳碳源(无论是碳化还是非碳化碳源)，有效扩大了石墨烯加工碳源的种类，为高质量高效率石墨烯的大批量制备提供了有效的解决方案。

如图2所示，一种高压混合放电的石墨烯生产装置，用以实现所述的高压混合放电的石墨烯生产方法，包括腔体100，所述腔体100的上部的两侧分别设有可开合的第一隔板101和第二隔板102，且所述第一隔板101和第二隔板102相连接，所述第一隔板101的顶部设有进气管道103，所述第二隔板102的顶部设有进料管道104；

所述腔体100的底部设有可开合的第三隔板105，所述第一隔板101和第二隔板102与所述第三隔板105之间形成腔室106，所述腔体100的两侧于所述腔室106处分别设有一个高压电极107。

如图3所示，使用高压混合放电的石墨烯生产装置生产石墨烯的具体过程为，步骤一：参照图3(a)，打开所述第一隔板101，使甲烷和氧气通过所述进气管道103通入所述腔室106内；步骤二：参照图3(b)，关闭所述第一隔板101，打开所述第二隔板102，使碳源通过所述进料管道104进入所述腔室106内；步骤三：参照图3(c)，关闭所述第二隔板102，进行放电加工(预热阶段、第一次激发阶段和第二次激发阶段)；步骤四：参照图3(d)，加工结束，打开所述第三隔板105，产物石墨烯送入底盘后进行运输包装或其他工艺。

所述高压混合放电的石墨烯生产装置，结构简单，能够实现使用电场控制碳源反应的目的，有效提高制备石墨烯的效率，且有效提高制备得到的石墨烯的纯度。

更进一步说明，如图4所示，还包括放电装置，所述放电装置包括高压电源201、控制电路、电输入接口202、混合开关装置、输出缓冲接口203和负载接头204，所述高压电源201的输出端电连接有所述控制电路，所述控制电路的输出端电连接有所述电输入接口202，所述混合开关装置包括第一开关301、第二开关302、第三开关303和第四开关304；

所述电输入接口202的电流输出端分别与所述第一开关301和第三开关303电连接，所述输出缓冲接口203的电流输入端分别与所述第二开关302和第四开关304电连接，所述负载接头204的一端并联有所述第一开关301和第二开关302，所述负载接头204的另一端并联有第三开关303和第四开关304；

所述负载接头204的两端分别与两个所述高压电极107电连接并为所述高压电极107供电。

需要说明的是，所述高压电源201为高压交流电源。

根据实验现象观察得出，在放电过程中，产生焦耳热的中心截面位于更靠近为正极的负载接头，从而导致单次产物中石墨烯的质量不均匀，因此，为了解决此类问题，采用所述混合开关装置。

具体的，所述电输入接口202可由一个接触器构成，当第一次激发高压放电结束后，所述输出缓冲接口203由电感或电阻组成，其作用是负责延缓放电电流通过的速度，起到保护电路的作用，所述电输入接口202和所述输出缓冲接口203分别置换断开与闭合的开关，实现所述负载接头204的正负极交换，接着再做第一次激发高压放电，实现原材料在各个区间的反应均匀性。

具体地，当第一次激发高压放电时，所述第一开关301闭合，所述第二开关302断开，所述第三开关303断开，所述第四开关304闭合，电流从所述负载接头204的上端流入，下端流出；当第二次激发高压放电时，所述第一开关301断开，所述第二开关302闭合，所述第三开关303闭合，所述第四开关304断开，电流从所述负载接头204的下端流入，上端流出，以实现所述负载接头204的正负极交换。

需要说明的是，可通过继电器远程操作所述第一开关301、第二开关302、第三开关303和第四开关304的断开与闭合。

通过设置所述放电装置，可以对放电加工进行电压控制和电流控制，大大提高电路稳定性和优化了加工质量。

更进一步说明，所述高压电源201和控制电路之间还串联有滤波器205。

具体地，所述滤波器205由RC电路和集成运算放大器组成，所述滤波器205负责滤去反向电压，所述高压电源201和所述滤波器205构成高压供电系统。

更进一步说明，通过外部开关指令控制所述高压电源201的启动与停止，所述外部开关指令指人工对所述高压电源201的开关进行接通或断开。

具体地，所述控制电路包括沿电流方向依次串联的电容区206、主接触器207和电流传感器208，所述电容区206由多个电容通过并联和串联组成，所述电容区206并联有电压传感器209。

所述电容区206由多个电容通过并联和串联组成，负责存储所述高压供电系统释放的能量，所述电容区206并联有电压传感器209，可以记录实时电压值，所述主接触器207和电流传感器208分别负责接通电路和传递实时电流数据。

更进一步说明，所述控制电路还包括控制器200，所述电压传感器209和电流传感器208的信号输出端分别与所述控制器200的信号输入端电连接，所述控制器200的信号输出端与所述主接触器207的信号输入端电连接。

具体地，所述控制器200为基于数字信号处理的控制器(简称为DSP控制器)。

所述控制器200可以对各个器件进行控制，首先为各干路器件设定反馈数值，当所述电容区206的电压达到设定电压值，所述电压传感器209将把反馈信号传输至所述控制器200，所述控制器200将提供内部反馈指令至所述主接触器207并接通开关，放电过程中，干路电流实时数据由所述电流传感器208记录并反馈至所述控制器200，所述电流传感器208负责检验电路是否产生故障，当瞬时电流过大或电流过小并持续数秒时便会将反馈信号传递至所述控制器200，使所述主接触器207断开，并释放所述电容区206的剩余电量，起到保护电路的作用。

所述控制电路通过调节不同的设定电压或者设定电流值，以数字信号的形式传输至所述控制器200，并为所述主接触器207提供反馈信号，控制其断开与闭合，所述控制电路可以通过电压及电流信号的输入，通过反馈控制的方法，起到一种半自动化的操作流程。

更进一步说明，通过外部开关指令控制所述控制器200的启动与停止，所述外部开关指令指人工对所述控制器200的开关进行接通或断开。

更进一步说明，所述腔体100的内壁采用耐高温材料制成，所述耐高温材料为铝合金板、石英板或者带有耐高温涂层材料的高强度基板；

所述腔体100的侧壁分别与所述第一隔板101、第二隔板102和第三隔板103的接口处涂覆有耐高温阻燃涂料。

优选的，所述带有耐高温涂层材料的高强度基板为带有无机耐高温涂层的玻璃基板，所述耐高温阻燃涂料为以纳米镁铝水滑石为基体的涂料。

所述腔体100的内壁采用耐高温材料制成，在放电产生高温的情况下，具有耐高温和安全的特点，保证设备的正常运行以及运行过程中的安全性；

此外，通过在所述腔体100的侧壁分别与所述第一隔板101、第二隔板102和第三隔板103的接口处涂覆有耐高温阻燃涂料，使得所述腔体100保证良好的密封性，以防止在放电加工过程中对外界产生热辐射而造成安全隐患。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高压混合放电的石墨烯生产装置，其特征在于，用以实现一种高压混合放电的石墨烯生产方法，所述高压混合放电的石墨烯生产方法包括以下步骤：

(1)预热阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行预热，使碳源升温，并达到甲烷的燃点，甲烷在氧气的助燃下剧烈燃烧；

(2)第一次激发阶段：向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第一次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上；

(3)第二次激发阶段：进行高压电极的正负极调换，向甲烷、氧气和碳源的混合物释放电流进行第二次激发，使得温度在500ms～1200ms内到达4000℃以上；

(4)放电加工结束，得到石墨烯粉末；

所述步骤(1)中，进行预热的预热时间为2～10s；

所述高压混合放电的石墨烯生产装置包括腔体和放电装置，所述腔体的上部的两侧分别设有可开合的第一隔板和第二隔板，且所述第一隔板和第二隔板相连接，所述第一隔板的顶部设有进气管道，所述第二隔板的顶部设有进料管道；

所述腔体的底部设有可开合的第三隔板，所述第一隔板和第二隔板与所述第三隔板之间形成腔室，所述腔体的两侧于所述腔室处分别设有一个高压电极；

所述放电装置包括高压电源、控制电路、电输入接口、混合开关装置、输出缓冲接口和负载接头，所述高压电源的输出端电连接有所述控制电路，所述控制电路的输出端电连接有所述电输入接口，所述混合开关装置包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述电输入接口的电流输出端分别与所述第一开关和第三开关电连接，所述输出缓冲接口的电流输入端分别与所述第二开关和第四开关电连接，所述负载接头的一端并联有所述第一开关和第二开关，所述负载接头的另一端并联有第三开关和第四开关；

所述负载接头的两端分别与两个所述高压电极电连接并为所述高压电极供电。

2.根据权利要求1所述的一种高压混合放电的石墨烯生产装置，其特征在于，所述高压电源和控制电路之间还串联有滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种高压混合放电的石墨烯生产装置，其特征在于，所述控制电路包括沿电流方向依次串联的电容区、主接触器和电流传感器，所述电容区由多个电容通过并联和串联组成，所述电容区并联有电压传感器。

4.根据权利要求3所述的一种高压混合放电的石墨烯生产装置，其特征在于，所述控制电路还包括控制器，所述电压传感器和电流传感器的信号输出端分别与所述控制器的信号输入端电连接，所述控制器的信号输出端与所述主接触器的信号输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的一种高压混合放电的石墨烯生产装置，其特征在于，所述腔体的内壁采用耐高温材料制成，所述耐高温材料为铝合金板、石英板或者带有耐高温涂层材料的高强度基板；

所述腔体的侧壁分别与所述第一隔板、第二隔板和第三隔板的接口处涂覆有耐高温阻燃涂料。

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