一種等離子化學(xué)氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種納米石墨稀粉體的制備方法，具體地說(shuō)是一種等離子化學(xué)氣相合 成法制備納米石墨烯粉體的方法，該方法制備的石墨烯層數(shù)少（2-10層），結(jié)構(gòu)完整，單層 片徑大，含氧量低、不含硫、金屬雜質(zhì)含量低，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，屬于化工技術(shù)領(lǐng) 域。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨?。℅raphene)是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，自從2004年被發(fā)現(xiàn)以 來(lái)，不斷向世人展現(xiàn)出它優(yōu)異的性能。石墨烯因其出色的透光率，巨大的導(dǎo)熱系數(shù)，極低的 電阻率而備受親睞，被譽(yù)為引發(fā)產(chǎn)業(yè)革命的下一代材料。目前，制備石墨烯的主要方法有： 機(jī)械剝離法、溶劑剝離法、化學(xué)氣相沉積法、晶體外延生長(zhǎng)法、氧化還原法等等。其中，前兩 種剝離法生產(chǎn)效率低；化學(xué)氣相沉積法和晶體外延生長(zhǎng)法成本高、操作復(fù)雜且無(wú)法生產(chǎn)大 面積石墨烯；而氧化還原法雖成本底、工藝簡(jiǎn)單，但制備出的石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷較大且雜質(zhì)含 量較多。因此，開(kāi)發(fā)出一種新的石墨烯生產(chǎn)工藝勢(shì)在必行。 三、

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在提供一種等離子化學(xué)氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法，通過(guò)等 離子化學(xué)氣相合成法制備出層數(shù)少、結(jié)構(gòu)完整、含氧量低、不含硫、可大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的 石墨烯。與現(xiàn)有技術(shù)中將石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化及剝離而制備出的氧化石墨烯相比，其共軛 網(wǎng)絡(luò)無(wú)嚴(yán)重的官能化，不需要經(jīng)過(guò)還原處理以及其他的化學(xué)修飾，得到的石墨烯產(chǎn)物的完 整性及導(dǎo)電力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氧化石墨烯。
[0004] 本發(fā)明等離子化學(xué)氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法如下：
[0005] 以甲烷作為原料，通入頂吹氮?dú)?，甲烷在等離子弧的電離作用下電離為碳離子和 氫離子，其中碳離子在反應(yīng)器內(nèi)重新呈網(wǎng)絡(luò)狀排布從而生成結(jié)構(gòu)完整的石墨烯粉體，氫離 子結(jié)合為氫氣排出，通過(guò)氣體流量計(jì)計(jì)算反應(yīng)完全，石墨烯粉體經(jīng)過(guò)氣流引導(dǎo)進(jìn)入收粉器 中。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中不需添加任何催化劑、還原劑。
[0006] 反應(yīng)過(guò)程中，甲燒的分壓為0. 8-0. 9MPa，流速為8m3 · IT1;氮?dú)獾姆謮簽?0· 5-0. 6MPa，流速為 Ilm3 · IT1。
[0007] 等離子發(fā)生器以氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)；等離子發(fā)生器的工作電壓280-300V，直流電流 190-200A ;等離子弧溫度可達(dá)到3000°C，輸出功率可達(dá)150kw。
[0008] 反應(yīng)方程式為：
[0009] CH4- C+2H 2
[0010] 具體反應(yīng)過(guò)程如下：
[0011] 1、對(duì)甲烷進(jìn)行除雜處理，使其純度達(dá)到98%以上從而保證石墨烯的純度；
[0012] 2、接通等離子發(fā)生器電源，等離子發(fā)生器的工作電壓280-300V、負(fù)載電流 190-200A，反應(yīng)室內(nèi)在等離子發(fā)生器正極4和等離子發(fā)生器負(fù)極5的電離作用下開(kāi)始產(chǎn)生 等離子弧。
[0013] 3、打開(kāi)頂吹氮?dú)廨斄瞎?,氮?dú)夥謮涸O(shè)定為0. 5-0. 6MPa。
[0014] 4、將等離子弧溫度升至3000 °C，此時(shí)反應(yīng)爐內(nèi)溫度達(dá)到900 °C。
[0015] 5、打開(kāi)甲烷輸料管1，甲烷分壓設(shè)為0. 8-0. 9MPa，使甲烷氣體進(jìn)入反應(yīng)爐3,甲烷 開(kāi)始電離為碳原子與氫原子并重新排列。
[0016] 6、10分鐘后關(guān)閉等離子發(fā)生器電源，并將反應(yīng)爐冷卻至室溫。
[0017] 7、關(guān)閉甲烷輸料管1與頂吹氮?dú)廨斄瞎?。
[0018] 8、在引風(fēng)裝置7的作用下，粉體由出料管6經(jīng)過(guò)重力沉降除雜處理后到達(dá)收粉器 8,待其完全冷卻后即可得到石墨烯粉體。
[0019] 本發(fā)明制備的石墨烯具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 1、單層片徑大：由電鏡照片可以直觀看出，由等離子氣相化學(xué)合成法生產(chǎn)的石墨 烯不僅層數(shù)少，而且片徑大，通用性極好。
[0021] 2,純度高：由于整個(gè)合成過(guò)程中不添加任何催化劑，因此其純度高，雜質(zhì)含量少。
[0022] 3、層數(shù)少：石墨烯的高分辨透射電鏡（HRTEM)照片顯示該石墨烯為少層結(jié)構(gòu) (2-10 層）。
[0023] 4、結(jié)構(gòu)完整：經(jīng)過(guò)濾波處理的石墨烯高角環(huán)形暗場(chǎng)像（HAADF)，顯示該石墨烯結(jié) 晶良好。
[0024] 5、成本低：以甲烷為原料，以等離子氣相化學(xué)合成為合成方法大大降低了生產(chǎn)成 本，已達(dá)到2kg/h的單線生產(chǎn)能力， 四、
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1是本發(fā)明制備的石墨烯的透射電子顯微鏡（TEM)照片，顯示該石墨烯略有褶 皺，分散良好。
[0026] 圖2是本發(fā)明制備的石墨烯的高分辨透射電鏡（HRTEM)照片，從圖中可看出，石墨 烯具有較好的分層，通過(guò)測(cè)試結(jié)果得知，石墨烯片層為少層結(jié)構(gòu)，有較大的片徑結(jié)構(gòu)。
[0027] 圖3是經(jīng)過(guò)濾波處理的石墨烯的高角環(huán)形暗場(chǎng)像（HAADF)，顯示該石墨烯結(jié)晶良 好。
[0028] 圖4是石墨烯的XRD圖，可以看出其波峰非常集中突出。
[0029] 圖5是本發(fā)明制備的石墨烯的選區(qū)電子衍射（SAED)照片，顯示了石墨和石墨烯的 衍射環(huán)。
[0030] 圖6是石墨烯的元素檢測(cè)報(bào)告，可見(jiàn)其中元素含量極少。
[0031] 圖7是本發(fā)明制備的石墨烯的拉曼譜圖。
[0032] 圖8是本發(fā)明制備石墨烯的反應(yīng)裝置。其中，1甲烷輸料管，2頂吹氮?dú)廨斄瞎埽? 反應(yīng)爐，4等離子發(fā)生器正極，5等離子發(fā)生器負(fù)極，6出料管，7引風(fēng)裝置，8收粉器。甲烷輸 料管1與液態(tài)甲烷罐連接，頂吹氮?dú)廨斄瞎?與液氮罐連接。 五、
【具體實(shí)施方式】
[0033] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)了解，此處所描述的實(shí)施例僅 用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0034] 實(shí)施例1 :
[0035] 1、對(duì)甲烷進(jìn)行除雜處理，使其純度達(dá)到98%以上從而保證石墨烯的純度；
[0036] 2、接通等離子發(fā)生器電源，等離子發(fā)生器的工作電壓280V、負(fù)載電流190A，反應(yīng) 室內(nèi)在等離子發(fā)生器正極4和等離子發(fā)生器負(fù)極5的電離作用下開(kāi)始產(chǎn)生等離子弧。
[0037] 3、打開(kāi)頂吹氮?dú)廨斄瞎?,氮?dú)夥謮涸O(shè)定為0. 5MPa。
[0038] 4、將等離子弧溫度升至3000°C，此時(shí)反應(yīng)爐內(nèi)溫度達(dá)到900°C。
[0039] 5、打開(kāi)甲烷輸料管1，甲烷分壓設(shè)為0. 8MPa，使甲烷氣體進(jìn)入反應(yīng)爐3,甲烷開(kāi)始 電離為碳原子與氫原子并重新排列。
[0040] 6、10分鐘后關(guān)閉等離子發(fā)生器電源，并將反應(yīng)爐冷卻至室溫。
[0041] 7、關(guān)閉甲烷輸料管1與頂吹氮?dú)廨斄瞎?。
[0042] 8、在引風(fēng)裝置7的作用下，粉體由出料管6經(jīng)過(guò)重力沉降除雜處理后到達(dá)收粉器 8,待其完全冷卻后即可得到石墨烯粉體。
[0043] 實(shí)施例2 :
[0044] 1、對(duì)甲烷進(jìn)行除雜處理，使其純度達(dá)到98%以上從而保證石墨烯的純度；
[0045] 2、接通等離子發(fā)生器電源，等離子發(fā)生器的工作電壓300V、負(fù)載電流200A，反應(yīng) 室內(nèi)在等離子發(fā)生器正極4和等離子發(fā)生器負(fù)極5的電離作用下開(kāi)始產(chǎn)生等離子弧。
[0046] 3、打開(kāi)頂吹氮?dú)廨斄瞎?,氮?dú)夥謮涸O(shè)定為0. 6MPa。
[0047] 4、將等離子弧溫度升至3000°C，此時(shí)反應(yīng)爐內(nèi)溫度達(dá)到900°C。
[0048] 5、打開(kāi)甲烷輸料管1，甲烷分壓設(shè)為0. 9MPa，使甲烷氣體進(jìn)入反應(yīng)爐3,甲烷開(kāi)始 電離為碳原子與氫原子并重新排列。
[0049] 6、10分鐘后關(guān)閉等離子發(fā)生器電源，并將反應(yīng)爐冷卻至室溫。
[0050] 7、關(guān)閉甲烷輸料管1與頂吹氮?dú)廨斄瞎?。
[0051] 8、在引風(fēng)裝置7的作用下，粉體由出料管6經(jīng)過(guò)重力沉降除雜處理后到達(dá)收粉器 8,待其完全冷卻后即可得到石墨烯粉體。
[0052] 表1實(shí)施例1制備得到的石墨烯的性能檢測(cè)數(shù)據(jù)
[0053]
[0054] 由表1可見(jiàn)，氣相合成的石墨烯的純度非常高，相對(duì)現(xiàn)在市面上流行的氧化法合 成的石墨烯，其氧含量及硫含量要小很多，且結(jié)構(gòu)完整性、比表面積等也得到很大的改善。
[0055] 需要注意的是，以上所舉的是本發(fā)明具體實(shí)施的例子。而本發(fā)明在原料的選擇以 及等離子體工質(zhì)的選擇上可以有許多變形。本領(lǐng)域的技術(shù)人員從本發(fā)明中所導(dǎo)出或發(fā)展的 變形，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種等離子化學(xué)氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法，其特征在于： 以甲烷為原料，以氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)，甲烷在等離子弧的電離作用下電離為碳離子和氫 離子，其中碳離子在反應(yīng)器內(nèi)重新呈網(wǎng)絡(luò)狀排布從而生成結(jié)構(gòu)完整的石墨烯粉體，氫離子 結(jié)合為氫氣排出，石墨烯粉體經(jīng)過(guò)氣流引導(dǎo)進(jìn)入收粉器中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： 反應(yīng)過(guò)程中，甲烷的分壓為0. 8-0. 9MPa，氮?dú)獾姆謮簽?. 5-0. 6MPa。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于： 反應(yīng)過(guò)程中，甲燒的流速為8m3 ? IT1，氮?dú)獾牧魉贋镮lm3 ? IT1。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： 等離子發(fā)生器的工作電壓280-300V，直流電流190-200A。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： 反應(yīng)過(guò)程中等離子弧溫度設(shè)置為3000°C。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種等離子化學(xué)氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法，是以甲烷為原料，以氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)，甲烷在等離子弧的電離作用下電離為碳離子和氫離子，其中碳離子在反應(yīng)器內(nèi)重新呈網(wǎng)絡(luò)狀排布從而生成結(jié)構(gòu)完整的石墨烯粉體，氫離子結(jié)合為氫氣排出，石墨烯粉體經(jīng)過(guò)氣流引導(dǎo)進(jìn)入收粉器中。本發(fā)明方法制備的石墨烯層數(shù)少(2-10層)，結(jié)構(gòu)完整，單層片徑大，含氧量低、不含硫、金屬雜質(zhì)含量低，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類】B82Y30/00, C01B31/04
【公開(kāi)號(hào)】CN104961127
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510443982
【發(fā)明人】張芬紅
【申請(qǐng)人】合肥開(kāi)爾納米能源科技股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年7月23日