一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备及方法
【专利摘要】本发明涉及一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备及方法，设备包括箱体、恒温退火腔、降温生长腔、冷却腔，箱体分隔成恒温退火腔、降温生长腔、冷却腔，恒温退火腔、降温生长腔内部均设有进气管、混气室、反应腔体，进气管伸入混气室内，混气室与反应腔体连通，冷却腔内设有冷却装置，箱体内部还设有送料装置、冷气管，送料装置穿过恒温退火腔和降温生长腔的反应腔体、冷却装置，恒温退火腔、降温生长腔、冷却腔设有压力释放管。步骤包括：先将金属基底送入恒温退火腔中进行退火；然后将金属基底送入降温生长腔进行反应生长石墨烯；最后将石墨烯送入冷却腔冷却。有益效果是：制备周期短、设备结构简单、操作方便，提高了生产效率，经济效益高。
【专利说明】一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石墨烯生产制造领域，尤其涉及一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备及方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢状结构，仅一个原子层厚的二维晶体。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov等人发现稳定存在的单层石墨稀，也因其在石墨烯方面的开创性工作而获得2010年诺贝尔物理学奖。近年来，石墨烯在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，吸引了科学界和工业界的广泛关注。石墨烯具有优异的力、热、光、电等性质。石墨烯常温下的电子迀移率超过15000cm2/V *s，超过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10_6Ω - cm,比铜或银的更低，是目前世上电阻率最小的材料。而其高达97.7%的全波段透光率是其他导电材料难以匹敌的。
[0003]目前工业上普遍采用化学气相沉积(CVD)法作为制备大面积石墨烯的方法。但是化学气相沉积法制备石墨烯的速度较慢，设备复杂，制备周期长，影响生产效率，经济效益低。目前缺乏一种可以用于石墨烯连续快速制备的设备和方法。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备及方法，克服了石墨烯制备周期长、生产效率低、工艺复杂、经济效益差的缺陷。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备，包括箱体、恒温退火腔、降温生长腔、冷却腔，所述箱体通过隔板分隔成所述恒温退火腔、所述降温生长腔、所述冷却腔，所述恒温退火腔、所述降温生长腔内部由上至下均依次设有进气管、混气室、反应腔体，所述进气管穿过所述箱体伸入所述混气室内，所述混气室与所述反应腔体连通，所述冷却腔内设有冷却装置，所述箱体内部还设有送料装置、冷气管，所述送料装置依次穿过所述恒温退火腔和所述降温生长腔的反应腔体、所述冷却装置，所述恒温退火腔、所述降温生长腔、所述冷却腔均设有压力释放管。
[0006]本发明的有益效果是:设备结构简单、操作方便，设置恒温退火腔、降温生长腔、冷却腔可同步操作进行，提高了生产效率，经济效益高。
[0007]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0008]进一步，所述恒温退火腔与所述降温生长腔之间的隔板上设有第一阀门，所述降温生长腔与所述冷却腔之间的隔板上设有第二阀门。
[0009]采用上述进一步方案的有益效果是:设置阀门使得恒温退火腔、降温生长腔、冷却腔之间可以相互连通，有利于送料装置运输物料同时又不影响各个腔的反应，使得各个腔独立封闭。
[0010]进一步，所述送料装置包括放料机构、出料机构、传送带，所述放料机构安装在所述恒温退火腔内，所述出料机构安装在所述冷却腔内，所述传送带的一端与所述放料机构连接，所述传送带的另一端依次穿过所述恒温退火腔的反应腔体、所述第一阀门、所述降温生长腔的反应腔体、所述第二阀门、所述冷却装置后与所述出料机构连接。
[0011]采用上述进一步方案的有益效果是:通过送料装置实现了设备的自动化运输，操作方便，提高了生产效率。
[0012]进一步，每个所述反应腔体的顶端和底部均设置有加热器。
[0013]采用上述进一步方案的有益效果是:通过加热器有效控制反应腔体的内部的反应温度，易于控制，使得反应时保持在合适的反应温度范围内。
[0014]进一步，所述恒温退火腔的进气管数量至少为两根，所述降温生长腔的进气管数量至少为三根。
[0015]采用上述进一步方案的有益效果是:使得通入的气体可以分别同时通入，节约时间，提高生产效率，同时避免进气管数量过少，有点进气管损坏后影响生产效率。
[0016]根据上述设备采用一种制备石墨烯的方法，包括以下步骤:
[0017]I)通过所述送料装置将金属基底送入所述恒温退火腔中，向所述恒温退火腔的进气管通入惰性保护气体和还原气体，进行退火反应，完成退火反应后通过所述送料装置将金属基底送入所述降温生长腔内；
[0018]2)向所述降温生长腔的进气管通入反应气体，并进行降温反应，在降温反应过程中，金属基底(13)上的石墨烯成核生长至成石墨烯薄膜，再将金属基底(13)通过所述送料装置送入所述冷却腔内；
[0019]3)向所述冷却腔内通入惰性气体，通过所述冷却装置降低所述冷却腔内的温度为室温，完成金属基底(13)上的石墨稀冷却之后，进彳丁出料，完成石墨稀的制备。
[0020]有益效果是:步骤简单，操作方便，并且可同步循环进行，提高石墨烯的生产制备效率，缩短了制备周期。
[0021]进一步，在所述步骤I)中，所述恒温退火腔的进气管的数量至少为两根，所述两根进气管分别通入所述惰性保护气体和所述还原气体，所述惰性保护气体可为Ar，所述还原气体可为H2,所述Ar和所述112分别以流量为100sccm和200sccm进入所述混气室混合后再进入所述反应腔体反应，所述反应腔体的反应温度900?1000°C，反应时间为30?60分钟，并通过所述压力释放管释放压力调整所述恒温退火腔内的气压为常压。
[0022]采用上述进一步方案的有益效果是:节约能耗，通过合适的气体配比提供良好的反应环境，提高石墨稀的产量以及质量。
[0023]进一步，在所述步骤2)中，所述降温生长腔的进气管的数量至少为三根，所述三根进气管分别通入三种所述反应气体，三种所述反应气体分别为Ar、H2, CH4，所述Ar、所述4、所述014分别以流量为500sccm、200sccm、1sccm进入所述混合气室混合后再进入所述反应腔体反应，所述反应腔体的反应温度由1000°C降低至800°C，降温过程的时间为10?30分钟，降温过程中，石墨烯成核生长至石墨烯薄膜，并通过所述压力释放管释放压力调整所述降温生长腔内的气压为常压。
[0024]采用上述进一步方案的有益效果是:节约能耗，采用合适的冷却时间已经冷却温度，在石墨烯质量的保证下同时提高生产效率。
[0025]进一步，在所述步骤3)中，通过所述压力释放管释放压力调整所述冷却腔内的气压为常压，以流量为200sCCm的速度向所述冷却腔的冷气管通入Ar，在所述冷却装置下冷却至室温，冷却时间为20分钟，冷却方式为水冷或风冷。
[0026]采用上述进一步方案的有益效果是:节约能耗，快速冷却生成的石墨烯，生产效率尚O
[0027]进一步，所述金属基底为铜箔，所述金属基底的形态为片材或者卷材，每个所述反应腔体由石英制成。
[0028]采用上述进一步方案的有益效果是:有利于提高石墨烯的反应效率，采用石英材质的反应腔体，使得反应腔体能适应高温变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备的结构示意图。
[0030]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0031]1、恒温退火腔，2、进气管，3、混气室，4、加热器，5、降温生长腔，6、冷气管，7、第二阀门，8、冷却腔，9、出料机构，10、压力释放管，11、反应腔体，12、冷却装置，13、金属基底，14、传送带，15、放料机构，16、箱体，17、第一阀门，18、隔板。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0033]如图1所示，本发明用于制备石墨烯的设备，包括箱体16、恒温退火腔1、降温生长腔5、冷却腔8，所述箱体16通过隔板18分隔成所述恒温退火腔1、所述降温生长腔5、所述冷却腔8，箱体16内部的一端至另一端依次排布恒温退火腔1、降温生长腔5、冷却腔8。所述恒温退火腔1、所述降温生长腔5内部由上至下均依次设有进气管2、混气室3、反应腔体11，石墨烯放置在反应腔体11内反应。所述恒温退火腔I的进气管2数量至少为两根，所述降温生长腔5的进气管2数量至少为三根。所述进气管2穿过所述箱体16伸入所述混气室3内，所述混气室3与所述反应腔体11连通，气体在混气室3内混合后通入反应腔体11内反应。每个所述反应腔体11的顶端和底部均设置有加热器4，每个所述反应腔体11由石英制成，也可以采取其他耐高温的材质制成，以便承受高温反应。
[0034]如图1所示，所述冷却腔8内设有冷却装置12，所述箱体16内部还设有送料装置、冷气管6，通过冷气管6通入Ar，同时冷却装置12采用风冷或者水冷的方式对石墨烯进行降温冷却。所述送料装置依次穿过所述恒温退火腔I和所述降温生长腔5的反应腔体11、所述冷却装置12，所述恒温退火腔1、所述降温生长腔5、所述冷却腔8均设有压力释放管
10。压力释放管10在石墨烯反应过程中排放压力使得设备内部保持为常压。所述恒温退火腔I与所述降温生长腔5之间的隔板18上设有第一阀门17，所述降温生长腔5与所述冷却腔8之间的隔板18上设有第二阀门7。电机带动送料装置运动，所述送料装置包括放料机构15、出料机构9、传送带14，所述放料机构15安装在所述恒温退火腔I内，所述出料机构9安装在所述冷却腔8内，所述传送带14的一端与所述放料机构15连接，所述传送带14的另一端依次穿过所述恒温退火腔I的反应腔体11、所述第一阀门17、所述降温生长腔5的反应腔体11、所述第二阀门7、所述冷却装置12后与所述出料机构9连接。放料机构15将物料放置在传送带14上，先进入恒温退火腔I中反应，反应完成后，传送带14带动物料穿过第一阀门17进入降温生长腔5，在降温生长腔5中反应后，再由传送带14带动进入冷却腔8中冷却，冷却完成后由出料机构9出料，完成石墨烯的制备。
[0035]通过本发明的设备采用以下制备方法完成石墨烯的制备，包括以下步骤:1)通过所述送料装置将金属基底13送入所述恒温退火腔I中，向所述恒温退火腔I的进气管2通入惰性保护气体和还原气体，进行退火反应，完成退火反应后通过所述送料装置将金属基底13送入所述降温生长腔5内；2)向所述降温生长腔5的进气管2通入反应气体，并进行降温反应，在降温反应过程中，金属基底13上的石墨烯成核生长至成膜，再将金属基底13通过所述送料装置送入所述冷却腔8内；3)向所述冷却腔8内通入惰性气体，通过所述冷却装置12降低所述冷却腔8内的温度为室温，完成金属基底13上的石墨烯冷却之后，进行出料，完成石墨稀的制备。米用的金属基底13可以米用铜笛，所述金属基底13的形态为片材或者卷材，以提高石墨烯的生长反应效率。
[0036]上述三个步骤可以同时在对应的恒温退火腔1、降温生长腔5、冷却腔8进行，恒温退火腔I保持恒定温度，降温生长腔5进行温度升降，冷却腔8进行冷却，三个腔同步循环进行，可以节约时间，提高生产效率。针对上述三个步骤，具体进行如下操作。
[0037]在所述步骤I)中，所述恒温退火腔I的进气管2的数量至少为两根，所述两根进气管2分别通入所述惰性保护气体和所述还原气体，所述惰性保护气体可为Ar，所述还原气体可为H2,所述Ar和所述H2分别以流量为100sccm和200sccm进入所述混气室3混合后再进入所述反应腔体11反应。所述反应腔体11的反应温度900?1000°C，优选温度为1000°C，反应时间为30?60分钟，优选30分钟，并通过所述压力释放管10释放压力调整所述恒温退火腔I内的气压为常压。
[0038]在所述步骤2)中，所述降温生长腔5的进气管2的数量至少为三根，所述三根进气管2分别通入三种所述反应气体，三种所述反应气体分别为Ar、H2、CH4，所述Ar、所述H2、所述(314分别以流量为500sccm、200sccm、1sccm进入所述混合气室混合后再进入所述反应腔体11反应，所述反应腔体的反应温度由1000°C降低至800°C，降温过程的时间为10?30分钟，优选时间为10分钟，降温过程中，石墨烯成核生长至石墨烯薄膜。石墨烯在缓慢降温过程中成核生长直至成膜，并通过所述压力释放管10释放压力调整所述降温生长腔5内的气压为常压。一般的石墨烯是在恒温环境中进行生长，当石墨烯完成生长后再进行冷却降温，生产工艺时间较长，而本发明的石墨烯生长与降温过程同步进行，在反应腔体温度由1000°C降低至800°C的过程中，通入反应气体，石墨烯成核生长直至成石墨烯薄膜，节省了生长反应时间。
[0039]在所述步骤3)中，通过所述压力释放管10释放压力调整所述冷却腔8内的气压为常压，以流量为200SCCm的速度向所述冷却腔8的冷气管6通入Ar，在所述冷却装置12下冷却至室温，冷却时间为20分钟，冷却方式为水冷或风冷。
[0040]在石墨烯的连续循环生长中，恒温退火腔I中的温度保持为常压，气体保持为Ar和H2，流量分别为lOOOsccm和200sCCm ;降温生长腔5中，在没有物料时，也就是物料处在冷却腔8中或者恒温退火腔I中时，可进行从800°C到1000°C的升温过程，在此过程中无需通入碳源气体，如CH4.冷却腔8中无物料时，可保持Ar的常压环境，关闭进气和出气阀门，节省不必要的气体消耗。
[0041]针对上述步骤可以采用但并不限于以下实施例:
[0042]实施例一:
[0043]放料机构15将金属基底13送到传送带14上，传送带14将金属基底13送入恒温退火腔I内的反应腔体11中，恒温退火腔I的两根进气管2分别对应通入流量为lOOOsccm和200sCCm的Ar和H2，将恒温退火腔I内的压力通过压力释放气管调节为常压，恒温退火腔I内的温度为1000°C，在反应腔体11内退火30分钟后。开启第一阀门17，将金属基底13送入到降温生长腔5内的反应腔体11中，降温生长腔5的三根进气管2分别对应通入流量为500sccm、200sccm、1sccm的Ar、H2、CH4,将降温生长腔5内的压力通过压力释放气管调节为常压，金属基底13铜箔通过10分钟将温度从1000°C降到800°C，金属基底13上的石墨烯在缓慢降温过程中成核生长直至成膜。金属基底13是的石墨烯生长完成后，通过开启第二阀门7，将金属基底13送入冷却腔8内，向冷气管6中通入流量为200SCCm的Ar，将冷却腔8内的压力通过压力释放气管调节为常压，通过冷却装置12采用水冷或者风冷的方式冷却20分钟至室温，最后通过出料机构9出料，完成石墨稀的制备。
[0044]实施例二:
[0045]放料机构15将金属基底13送到传送带14上，传送带14将金属基底13送入恒温退火腔I内的反应腔体11中，恒温退火腔I的两根进气管2分别对应通入流量为lOOOsccm和200sCCm的Ar和H2，将恒温退火腔I内的压力通过压力释放气管调节为常压，恒温退火腔I内的温度为900 °C，在反应腔体11内退火60分钟后。开启第一阀门17，将金属基底13送入到降温生长腔5内的反应腔体11中，降温生长腔5的三根进气管2分别对应通入流量为500sccm、200sccm、1sccm的Ar、H2、CH4,将降温生长腔5内的压力通过压力释放气管调节为常压，金属基底13铜箔通过30分钟将温度从1000°C降到800°C，金属基底13上的石墨烯在缓慢降温过程中成核生长直至成膜。金属基底13上的石墨烯生长完成后，通过开启第二阀门7，将金属基底13送入冷却腔8内，向冷气管6中通入流量为200SCCm的Ar，将冷却腔8内的压力通过压力释放气管调节为常压，通过冷却装置12采用水冷或者风冷的方式冷却20分钟至室温，最后通过出料机构9出料，完成石墨稀的制备。
[0046]实施例三:
[0047]放料机构15将金属基底13送到传送带14上，传送带14将金属基底13送入恒温退火腔I内的反应腔体11中，恒温退火腔I的两根进气管2分别对应通入流量为lOOOsccm和200sCCm的Ar和H2，将恒温退火腔I内的压力通过压力释放气管调节为常压，恒温退火腔I内的温度为950 °C，在反应腔体11内退火45分钟后。开启第一阀门17，将金属基底13送入到降温生长腔5内的反应腔体11中，降温生长腔5的三根进气管2分别对应通入流量为500sccm、200sccm、1sccm的Ar、H2、CH4,将降温生长腔5内的压力通过压力释放气管调节为常压，金属基底13铜箔通过15分钟将温度从1000°C降到800°C，金属基底13上的石墨烯在缓慢降温过程中成核生长直至成膜。金属基底13上的石墨烯生长完成后，通过开启第二阀门7，将金属基底13送入冷却腔8内，向冷气管6中通入流量为200SCCm的Ar，将冷却腔8内的压力通过压力释放气管调节为常压，通过冷却装置12采用水冷或者风冷的方式冷却20分钟至室温，最后通过出料机构9出料，完成石墨稀的制备。
[0048]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备，其特征在于，包括箱体(16)、恒温退火腔(I)、降温生长腔(5)、冷却腔(8)，所述箱体(16)通过隔板(18)分隔成所述恒温退火腔(1)、所述降温生长腔(5)、所述冷却腔(8)，所述恒温退火腔(I)、所述降温生长腔(5)内部由上至下均依次设有进气管(2)、混气室(3)、反应腔体(11)，所述进气管(2)穿过所述箱体(16)伸入所述混气室(3)内，所述混气室(3)与所述反应腔体(11)连通，所述冷却腔(8)内设有冷却装置(12)，所述箱体(16)内部还设有送料装置、冷气管￠)，所述送料装置依次穿过所述恒温退火腔(I)和所述降温生长腔(5)的反应腔体(11)、所述冷却装置(12)，所述恒温退火腔(I)、所述降温生长腔(5)、所述冷却腔(8)均设有压力释放管(10)。
2.根据权利要求1所述的一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备，其特征在于，所述恒温退火腔⑴与所述降温生长腔(5)之间的隔板(18)上设有第一阀门(17)，所述降温生长腔(5)与所述冷却腔(8)之间的隔板(18)上设有第二阀门(7)。
3.根据权利要求2所述的一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备，其特征在于，所述送料装置包括放料机构(15)、出料机构(9)、传送带(14)，所述放料机构(15)安装在所述恒温退火腔(I)内，所述出料机构(9)安装在所述冷却腔(8)内，所述传送带(14)的一端与所述放料机构(15)连接，所述传送带(14)的另一端依次穿过所述恒温退火腔(I)的反应腔体(11)、所述第一阀门(17)、所述降温生长腔(5)的反应腔体(11)、所述第二阀门(7)、所述冷却装置(12)后与所述出料机构(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备，其特征在于，每个所述反应腔体(11)的顶端和底部均设置有加热器(4)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种在常压下连续快速制备石墨烯的设备，其特征在于，所述恒温退火腔(I)的进气管(2)数量至少为两根，所述降温生长腔(5)的进气管(2)数量至少为三根。
6.一种制备石墨烯的方法，其特征在于，该方法通过如权力要求I所述的设备实现，包括以下步骤: 1)通过所述送料装置将金属基底(13)送入所述恒温退火腔(I)中，向所述恒温退火腔(I)的进气管(2)通入惰性保护气体和还原气体，进行退火反应，完成退火反应后通过所述送料装置将金属基底(13)送入所述降温生长腔(5)内； 2)向所述降温生长腔(5)的进气管(2)通入反应气体，并进行降温反应，在降温反应过程中，金属基底(13)上的石墨烯成核生长至成石墨烯薄膜，再将金属基底(13)通过所述送料装置送入所述冷却腔(8)内； 3)向所述冷却腔⑶内通入惰性气体，通过所述冷却装置(12)降低所述冷却腔⑶内的温度为室温，完成金属基底(13)上的石墨稀冷却之后，进彳丁出料，完成石墨稀的制备。
7.根据权利要求6所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，在所述步骤I)中，所述恒温退火腔(I)的进气管(2)的数量至少为两根，所述两根进气管(2)分别通入所述惰性保护气体和所述还原气体，所述惰性保护气体可为Ar，所述还原气体可为H2,所述Ar和所述H2分别以流量为lOOOsccm和200sCCm进入所述混气室(3)混合后再进入所述反应腔体(11)反应，所述反应腔体(11)的反应温度900?1000°C，反应时间为30?60分钟，并通过所述压力释放管(10)释放压力调整所述恒温退火腔(I)内的气压为常压。
8.根据权利要求6所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述降温生长腔(5)的进气管(2)的数量至少为三根，所述三根进气管(2)分别通入三种所述反应气体，三种所述反应气体分别为Ar、H2, CH4,所述Ar、所述H2、所述CH4分别以流量为500sccm、200sccm、1sccm进入所述混合气室混合后再进入所述反应腔体(11)反应，所述反应腔体的反应温度由1000°C降低至800°C，降温过程的时间为10?30分钟，降温过程中，石墨烯成核生长至石墨烯薄膜，并通过所述压力释放管(10)释放压力调整所述降温生长腔(5)内的气压为常压。
9.根据权利要求6所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，在所述步骤3)中，通过所述压力释放管(10)释放压力调整所述冷却腔(8)内的气压为常压，以流量为200sCCm的速度向所述冷却腔⑶的冷气管(6)通入Ar，在所述冷却装置(12)下冷却至室温，冷却时间为20分钟，冷却方式为水冷或风冷。
10.根据权利要求6至9任一项所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，所述金属基底(13)为铜箔，所述金属基底(13)的形态为片材或者卷材，每个所述反应腔体(11)由石英制成。
【文档编号】C01B31/04GK104477896SQ201410766949
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】高翾, 黄德萍, 李占成, 张永娜, 朱鹏, 姜浩, 史浩飞, 杜春雷 申请人:中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆墨希科技有限公司