CN112875690B

CN112875690B - 石墨烯合成设备及利用其的石墨烯合成方法

Info

Publication number: CN112875690B
Application number: CN202110469567.3A
Authority: CN
Inventors: 李栋; 曹珂菲; 郝小红
Original assignee: China ENFI Engineering Corp
Current assignee: China ENFI Engineering Corp
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2041-04-29
Also published as: CN112875690A

Abstract

本发明的实施例提出一种石墨烯合成设备及利用其的石墨烯合成方法。石墨烯合成设备包括：合成炉，所述合成炉具有炉腔、第一进气口、第一出气口和排液口，所述第一进气口、所述第一出气口和所述排液口中的每一者与所述炉腔连通，所述第一出气口位于所述第一进气口的上方，所述排液口在上下方向上位于所述第一出气口与所述第一进气口之间；加热装置，所述加热装置与所述炉腔配合以便能够对所述炉腔进行加热；和气体喷枪，所述气体喷枪设在所述第一进气口处，以便能够将反应气体通入所述炉腔内。因此，根据本发明实施例的石墨烯合成设备具有操作简单、生产效率高和成本低的优点。

Description

石墨烯合成设备及利用其的石墨烯合成方法

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体涉及一种石墨烯合成设备及利用其的石墨烯合成方法。

背景技术

相关技术中，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形晶格的平面薄膜，只有一个或数个碳原子厚度的纳米级前沿科技材料。目前，已商业应用的石墨烯制备技术主要有气相沉积法、氧化石墨还原法和液相剥离法。气相沉积法，其原理是为将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应，生成一种新的材料沉积在衬底表面。具体方法是将含碳原子的气体有机物如甲烷（CH₄）、乙炔（C₂H₂）等在镍或铜等金属基体上高温分解，脱出氢原子的碳原子会沉积吸附在金属表面连续生长成石墨烯。气相沉积法的优点是产品品质高，可制作单层原子厚的石墨烯。气相沉积法的缺点是生产效率低、成本高（目前市价约2000元/克）。

氧化石墨还原法，是目前成本最低且最容易实现规模化生产的石墨烯制备方法。将天然石墨与强酸和强氧化物质反应生成氧化石墨（GO），经过超声分散制备成氧化石墨烯乳液，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，得到石墨烯。氧化石墨还原法的优点是成本比气相沉积法较低。氧化石墨还原法的缺点是产品质量差、污染严重。

液相剥离法，剥离制备石墨烯需要克服石墨层与层之间的范德华力，而将石墨分散在液体中是一种直接的有效减小范德华力的方式，这就使得液相剥离法具有实现工业化的可能性。液相剥离法通常分为３个步骤：（１）将石墨分散在溶剂中，（２）通过超声波、微波、剪切力、热应力以及电化学等手段辅助剥离，（３）离心分离得到石墨烯分散液。液相剥离法的优点是品质高，污染小，是目前最可行方法。液相剥离法的缺点是生产效率较低，成本仍偏高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种石墨烯合成设备及利用其的石墨烯合成方法。

根据本发明实施例的石墨烯合成设备，包括：

合成炉，所述合成炉具有炉腔、第一进气口、第一出气口和排液口，所述第一进气口、所述第一出气口和所述排液口中的每一者与所述炉腔连通，所述第一出气口位于所述第一进气口的上方，所述排液口在上下方向上位于所述第一出气口与所述第一进气口之间；

加热装置，所述加热装置与所述炉腔配合以便能够对所述炉腔进行加热；和

气体喷枪，所述气体喷枪设在所述第一进气口处，以便能够将反应气体通入所述炉腔内。

因此，根据本发明实施例的石墨烯合成设备具有操作简单、生产效率高和成本低的优点。

根据本发明实施例的石墨烯合成设备还包括：

转动座；

转动轴，所述转动轴的一部分设在所述转动座内，所述转动轴与所述转动座转动连接；和

电机，所述转动轴的一端与所述电机连接，所述转动轴的另一端与所述合成炉连接，以便所述电机通过所述转动轴带动所述合成炉转动，所述排液口位于所述转动轴的上方，所述排液口位于所述转动轴的一侧，可选地，所述第一出气口位于所述合成炉的上端部，所述第一进气口位于所述合成炉的下端部。

在一些实施例中，所述合成炉的转动轴线和所述排液口在所述合成炉的周向上间隔90度。

根据本发明实施例的石墨烯合成设备还包括：

承重座；和

承重轴，所述承重轴的一部分设在所述承重座内，所述承重轴与所述承重座转动连接，所述转动轴的一端与所述合成炉连接，所述转动轴的转动轴线与所述承重轴的转动轴线重合。

在一些实施例中，所述合成炉由内至外依次包括炉衬和炉壳，所述炉衬由耐热材料制成，所述加热装置设在所述炉衬和炉壳之间。

根据本发明实施例的石墨烯合成设备还包括旋转烟道，所述旋转烟道设在所述合成炉上，所述旋转烟道包括第二进气口和第二出气口，所述第二进气口与所述第一出气口相连，所述第二出气口的中心与所述合成炉的转动轴线重合，以便所述旋转烟道随着所述合成炉一同旋转。

在一些实施例中，所述气体喷枪包括外管体和内管体，所述外管体套设在所述内管体上，所述外管体的出口与所述第一进气口相连，所述内管体的出口通向所述第一进气口。

本发明还提出了一种利用上述的石墨烯合成设备实施的石墨烯合成方法，包括以下步骤：

A)使用所述气体喷枪向所述合成炉的所述炉腔内通入氮气，以便对所述合成炉的所述炉腔内的空气进行置换；

B)对金属催化剂进行加热得到熔融状态的金属催化剂，将熔融状态的所述金属催化剂通过所述排液口通入所述合成炉的所述炉腔内，利用所述加热装置对所述合成炉的所述炉腔进行加热保温；

C)使用所述气体喷枪向保温下的所述合成炉的所述炉腔通入气态的有机化合物，气态的所述有机化合物与熔融状态的所述金属催化剂接触，以便气态的所述有机化合物在预设温度下加快发生裂解反应并生成石墨烯颗粒；和

D)分离、并收集所述石墨烯颗粒。

根据本发明实施例的石墨烯合成方法还包括：

步骤E）使用电机通过所述转动轴带动所述合成炉转动，将所述排液口转动到位于所述合成炉的下端位置处，以便将融状态的所述金属催化剂通过所述排液口排出所述合成炉的所述炉腔；和

步骤F）使用所述电机通过所述转动轴带动所述合成炉转动，将所述排液口转动到位于所述合成炉的上端位置处，所述第一出气口和所述第一进气口不与熔融状态的所述金属催化剂接触，以便更换所述气体喷枪。

在一些实施例中，熔融状态的所述金属催化剂的温度在1200℃之-1450℃之间，所述气体喷枪的喷吹压力在0.4MPa-0.8MPa之间，所述金属催化剂为铜、镍或铜镍合金中的一者。

附图说明

图1是根据本发明实施例的石墨烯合成设备的主视图的示意图。

图2是根据本发明实施例的石墨烯合成设备的侧视图的示意图。

图3是根据本发明实施例的石墨烯合成设备的剖视图的示意图。

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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的石墨烯合成设备100。如图1至图3所示，根据本发明实施例的石墨烯合成设备100包括合成炉10、加热装置20和气体喷枪30。

合成炉10具有炉腔11、第一进气口12、第一出气口13和排液口14。第一进气口12、第一出气口13和排液口14中的每一者与炉腔11连通，第一出气口13位于第一进气口12的上方，排液口14在上下方向上位于第一出气口13与第一进气口12之间。加热装置20与炉腔11配合以便能够对炉腔11进行加热。气体喷枪30设在第一进气口12处，以便能够将反应气体通入炉腔11内。

相关技术中，已商业应用的石墨烯制备技术主要有气相沉积法、氧化石墨还原法和液相剥离法。但上述三种方法存在生产效率低、污染大和成本高等缺点。

根据本发明实施例的石墨烯合成设备100通过设置合成炉10，且第一进气口12、第一出气口13和排液口14中的每一者与炉腔11连通。从而使得熔融状态下的金属催化剂可从排液口14进入炉腔11内。加热装置20与炉腔11配合以便能够对炉腔11进行加热，从而使得加热装置20能够对炉腔11内的熔融状态下的金属催化剂加热保温。

根据本发明实施例的石墨烯合成设备100通过气体喷枪30将反应气体通入炉腔11。具体地，反应气体为气态的有机化合物。气态的有机化合物与熔融状态的金属催化剂接触，以便气态的有机化合物在预设温度下加快发生裂解反应并生成石墨烯颗粒和氢气。石墨烯颗粒随着炉腔11内的混合气体（氮气和裂解反应生成的氢气及少量未反应的气态有机化合物）从第一出气口13一同排出炉腔11。从炉腔11内排出的混合物中分离出石墨烯颗粒即可完成石墨烯的制备，整个过程操作简单，生产效率高且成本较低。

因此，根据本发明实施例的石墨烯合成设备100具有操作简单、生产效率高和成本低的优点。

本发明还提出了一种利用根据本发明实施例的石墨烯合成设备100实施的石墨烯合成方法，包括以下步骤：

A)使用气体喷枪30向合成炉10的炉腔11内通入氮气，以便对合成炉10的炉腔11内的空气进行置换。将炉腔11内的空气排出可防止气态的有机化合物在发生裂解反应后产生的氢气与空气中的氧气接触并在炉腔11的高温环境下发生燃烧甚至爆炸，同时防止炉腔11内空气中的杂质污染石墨烯产品。

B)对金属催化剂进行加热得到熔融状态的金属催化剂，将熔融状态的金属催化剂通过排液口14通入合成炉10的炉腔11内。利用加热装置20对合成炉10的炉腔11进行加热保温。从而使得金属催化剂可一直处于熔融状态下并处于便于催化气态的有机化合物在发生裂解反应的温度。金属催化剂为铜、镍或铜镍合金中的一者。

C)使用气体喷枪30向保温下的合成炉10的炉腔11通入气态的有机化合物。具体地，气体有机化合物包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和乙炔中的至少一种。气态的有机化合物与熔融状态的金属催化剂接触，以便气态的有机化合物在预设温度下加快发生裂解反应并生成石墨烯颗粒。可通过改变熔融状态的金属催化剂的温度制备不同的石墨烯颗粒。

D)分离、并收集石墨烯颗粒。石墨烯颗粒可随着炉腔11内的上升气流一同从第一出气口13排出炉腔11。最后从排出炉腔11的混合物中分离、并收集石墨烯颗粒完成石墨烯的制备。

根据本发明实施例的石墨烯合成方法通过气体喷枪30将反应气体通入炉腔11内且与炉腔11内的熔融状态的金属催化剂接触。具体地，反应气体为气态的有机化合物。气态的有机化合物与熔融状态的金属催化剂接触，以便气态的有机化合物在预设温度下加快发生裂解反应并生成石墨烯颗粒和氢气。石墨烯颗粒随着炉腔11内的混合气体（氮气和裂解反应生成的氢气及少量未反应的气态有机化合物）从第一出气口13一同排出炉腔11。从炉腔11内排出的混合物中分离出石墨烯颗粒即可完成石墨烯的制备，整个过程操作简单，生产效率高且成本较低。

因此，根据本发明实施例的石墨烯合成方法具有操作简单、生产效率高和成本低的优点。

在一些实施例中，熔融状态的金属催化剂的温度在1200℃之-1450℃之间。可根据需要制备的石墨烯产品不同来设定熔融状态的金属催化剂的温度。

如图1所示，根据本发明实施例的石墨烯合成设备100还包括转动座41、转动轴42和电机43。

转动轴42的一部分设在转动座41内，转动轴42与转动座41转动连接。转动轴42的一端与电机43连接，转动轴42的另一端与合成炉10连接，以便电机43通过转动轴42带动合成炉10转动。也就是说，合成炉10可围绕转动轴42旋转。

排液口14位于转动轴42的上方，排液口14位于转动轴42的一侧。因此，通过旋转合成炉10可改变排液口14和第一进气口12与熔融状态的金属催化剂之间的接触状态。

当需要将融状态的金属催化剂排出炉腔11时，使用电机43通过转动轴42带动合成炉10转动，将排液口14转动到位于合成炉10的下端位置处。使得融状态的金属催化剂的液面不与第一出气口13接触，且排液口14位于融状态的金属催化剂的液面下方，以便将融状态的金属催化剂通过排液口14排出合成炉10的炉腔11。

当需要将更换气体喷枪30时，使用电机43通过转动轴42带动合成炉10转动，将排液口14转动到位于合成炉10的上端位置处，排液口14位于融状态的金属催化剂的液面上方。第一出气口13和第一进气口12位于合成炉10的两侧，且使得融状态的金属催化剂的液面位于第一出气口13和第一进气口12的下方，以便将更换气体喷枪30。

可选地，第一出气口13位于合成炉10的上端部，第一进气口12位于合成炉10的下端部。例如，合成炉10的炉体包括炉身和炉帽，炉帽设在炉身的上方。第一进气口12设在炉身的下端，第一出气口13设在炉帽的上端炉帽的外径沿邻近第一出气口13的方向减小。排液口14在上下方向上位于第一出气口13与第一进气口12之间，上下方向如图2中箭头A所示，例如，排液口14设在炉帽的侧壁上，从而便于熔融状态的金属催化剂从排液口14进入炉腔11底部。

在一些实施例中，合成炉10的转动轴线（转动轴42和合成炉10的连接处）和排液口14在合成炉10的周向上间隔90度。因此，当合成炉10旋转并使得排液口14转动到位于合成炉10的下端位置处时，熔融状态的金属催化剂容易达到排液口14。也就是说炉体的转动轴线（转动轴42和合成炉10的连接处）和排液口14在合成炉10的周向上间隔90度使得熔融状态的金属催化剂易与在合成炉10旋转后从炉腔11内排出。

如图1所示，根据本发明实施例的石墨烯合成设备100还包括承重座51和承重轴52。

承重轴52的一部分设在承重座51内，承重轴52与承重座51转动连接，转动轴42的一端与合成炉10连接，转动轴42的转动轴线与承重轴52的转动轴线重合。即合成炉10的两端具有相对设置的承重轴52和转动轴42，从而使得合成炉10在转动时更加平稳，增加石墨烯合成设备100的安全性。

如图2所示，在一些实施例中，合成炉10由内至外依次包括炉衬15和炉壳16，炉衬15由耐热材料制成，加热装置20设在炉衬15和炉壳16之间。例如，加热装置为加热线圈。加热装置20设在炉衬15和炉壳16之间便于对炉腔11进行加热保温，即便于对炉腔11内的熔融状态的金属催化剂和气体进行加热保温。保证气态有机化合物可在预设的温度下发生裂解反应并随着炉腔11内的气体一同排出炉腔11。

如图1所示，在一些实施例中，根据本发明实施例的石墨烯合成设备100还包括旋转烟道60。

旋转烟道60设在合成炉10上，旋转烟道60包括第二进气口61和第二出气口62。第二进气口61与第一出气口13相连，第二出气口的中心与合成炉10的转动轴线重合，以便旋转烟道60随着合成炉10一同旋转。从而使得在合成炉10旋转时无需与旋转烟道60分离，提高更换气体喷枪30和排出熔融状态的金属催化剂的效率。

当合成炉10内的熔融状态的金属催化剂喷溅较为激烈时，可减小第二出气口62处的阀门开口，即减小烟气的排出量，对合成炉10的炉腔11内的压力加压至0.1Mpa，以便抑制熔融状态的金属催化剂在炉腔11内喷溅。

在一些实施例中，旋转烟道60内衬有耐火材料，旋转烟道60上设有检测孔，检测孔邻近第二进气口61。以便通过检测孔检测旋转烟道60内的烟气的温度，从而了解合成炉10内的温度。

在一些实施例中，气体喷枪30为底吹喷枪，可将气态的有机化合物和惰性气体（氮气）混合后通过气体喷枪30通入炉腔11，以便使得气体喷枪30达到预设的喷吹压力。

可选地，气体喷枪30的喷吹压力在0.4MPa-0.8MPa之间。

在一些实施例中，气体喷枪30包括外管体和内管体，外管体套设在内管体上，外管体的出口与第一进气口12相连，内管体的出口通向第一进气口12。气态的有机化合物通过内管体通入炉腔11，惰性气体（氮气）通过外管体通入炉腔11，在满足气体喷枪30达到预设的喷吹压力的同时，惰性气体（氮气）对气体喷枪30降温从而延长气体喷枪30的使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种石墨烯合成设备，其特征在于，包括：

气体喷枪，所述气体喷枪设在所述第一进气口处，以便能够将反应气体通入所述炉腔内；

转动座；

电机，所述转动轴的一端与所述电机连接，所述转动轴的另一端与所述合成炉连接，以便所述电机通过所述转动轴带动所述合成炉转动，所述排液口位于所述转动轴的上方，所述排液口位于所述转动轴的一侧。

2.根据权利要求1所述的石墨烯合成设备，其特征在于，所述第一出气口位于所述合成炉的上端部，所述第一进气口位于所述合成炉的下端部。

3.根据权利要求2所述的石墨烯合成设备，其特征在于，所述合成炉的转动轴线和所述排液口在所述合成炉的周向上间隔90度。

4.根据权利要求2或3所述的石墨烯合成设备，其特征在于，还包括：

承重座；和

5.根据权利要求4所述的石墨烯合成设备，其特征在于，所述合成炉由内至外依次包括炉衬和炉壳，所述炉衬由耐热材料制成，所述加热装置设在所述炉衬和炉壳之间。

6.根据权利要求5所述的石墨烯合成设备，其特征在于，还包括旋转烟道，所述旋转烟道设在所述合成炉上，所述旋转烟道包括第二进气口和第二出气口，所述第二进气口与所述第一出气口相连，所述第二出气口的中心与所述合成炉的转动轴线重合，以便所述旋转烟道随着所述合成炉一同旋转。

7.根据权利要求6所述的石墨烯合成设备，其特征在于，所述气体喷枪包括外管体和内管体，所述外管体套设在所述内管体上，所述外管体的出口与所述第一进气口相连，所述内管体的出口通向所述第一进气口。

8.一种利用根据权利要求1-7中任一项所述的石墨烯合成设备实施的石墨烯合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

D)分离、并收集所述石墨烯颗粒。

9.根据权利要求8所述的石墨烯合成方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求9所述的石墨烯合成方法，其特征在于，熔融状态的所述金属催化剂的温度在1200℃-1450℃之间，所述气体喷枪的喷吹压力在0.4MPa-0.8MPa之间，所述金属催化剂为铜、镍或铜镍合金中的一者。