制备石墨烯的装置及方法与流程

本发明涉及碳的制备，特别是涉及一种制备石墨烯的装置及方法。

背景技术：

石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道按蜂窝状晶格排布而成的单层二维原子晶体。石墨烯是已知最薄、最坚韧的纳米材料，其硬度超过钻石；单层石墨烯几乎完全透明，仅有2.3％的吸光度；导热系数高达5300W/m·K，电阻率只有10-6Ω·cm，是最优异的热和电的导体。石墨烯因其优异的理化性质，在诸多应用领域具有重要的研究和应用价值。石墨烯在研究和应用中主要为石墨烯薄膜和石墨烯粉体两种形式，其中以石墨烯粉体的应用较为广泛。石墨烯高效、高质量、低成本的制备是实现石墨烯工业应用的基础。

目前石墨烯粉体的制备方法包括机械剥离法、氧化石墨烯还原法、电化学剥离法，其中以机械剥离法所制备的粉体质量高，几乎无含氧官能团存在。超声辅助剥离和机械剪切剥离是机械剥离法中主流的方法，但这两种方法都存在不足。机械剪切剥离法产率低，超声辅助剥离法由于颗粒间的大量堆叠，剥离耗时，因而效率也较低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种效率较高的制备石墨烯的装置及方法。

本发明的制备石墨烯的装置，包括：

用于盛装石墨浆料的第一容器以及第二容器；

设置于第一容器、第二容器之间的微反应通道；

设置于第一容器、第二容器之间的用于控制微反应通道内部温度以及用于发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离的温控超声设备；

第一容器与微反应通道之间设置有第一蠕动泵，第一蠕动泵用于将第一容器内的石墨浆料经微反应通道泵至第二容器；

第二容器与微反应通道之间设置有第二蠕动泵，第二蠕动泵用于将第二容器内的石墨浆料经微反应通道泵至第一容器。

本发明的制备石墨烯的装置，其中，温控超声设备包括：

用于盛装水及微反应通道的水浴容器；

用于为水浴容器内的水加热的加热器，设置于水浴容器的外部；

用于控制水浴容器内部的水的温度的温控器，与加热器连接；

用于发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离的超生波发生器，设置于水浴容器的内部。

本发明的制备石墨烯的装置，其中，所述微反应通道的一端通过管路与第一蠕动泵连接，所述微反应通道的另一端通过管路与第二蠕动泵连接，所述微反应通道包括多个沿竖直方向延伸的竖直段以及多个弯折段，每一所述弯折段连接相邻的竖直段，以使所述微反应通道在所述水浴容器的内部弯曲延伸。

本发明的制备石墨烯的方法，包括：

步骤一、配制石墨浆料；

步骤二、使石墨浆料在第一蠕动泵的输送下，从第一容器进入微反应通道，保温并经过超声剥离作用后，进入第二容器，保持微反应通道内的温度为10℃，温控超声设备发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离，超声功率360W。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，还包括：步骤三、待第一容器中石墨浆料输入完毕，且第二容器中不再有液体进入，关闭第一蠕动泵，开启第二蠕动泵，使石墨浆料通过第二蠕动泵泵入微反应通道，保持微反应通道内的温度为10℃，温控超声设备发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离，超声功率360W，使石墨浆料在第二蠕动泵的输送下，从第二容器进入微反应通道，保温并经过超声剥离作用后，进入第一容器。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，还包括：重复所述步骤二、步骤三。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，所述步骤一配制石墨浆料包括：异丙醇与水混合作溶剂，异丙醇与水的体积比例为3:7，添加溶剂体积比10％的苯扎溴铵溶液作分散剂，将所述溶剂与分散剂加入15000目石墨烯粉，使石墨固体重量含量为5％，磁力搅拌使石墨浆料分散均匀。

本发明的技术方案结构简单、效率较高。本发明的技术方案提供了一种在微反应通道中对石墨烯进行超声剥离的方法和装置。本发明的技术方案借助石墨微粉悬浮液在微反应通道中流动时的流体剪切力和微反应通道中对超声能量的聚集，实现小片径石墨烯的制备。本发明的技术方案所制备的石墨烯质量高，几乎无含氧基团。

附图说明

图1为本发明的制备石墨烯的装置的结构示意图；

图2为本发明的制备石墨烯的方法的实施例中石墨原料的扫描电子显微镜照片；

图3为本发明的制备石墨烯的方法的实施例中的石墨烯产物的扫描电子显微镜照片；

图4为本发明的制备石墨烯的方法的实施例中的所用石墨原料粉体和石墨烯制备产物的拉曼图谱。

具体实施方式

如图1所示，本发明的制备石墨烯的装置，包括：

用于盛装石墨浆料的第一容器11以及第二容器12；

设置于第一容器11、第二容器12之间的微反应通道1；

设置于第一容器11、第二容器12之间的用于控制微反应通道1内部温度以及用于发出超声波使微反应通道1内的石墨浆料剥离的温控超声设备2；

第一容器与微反应通道之间设置有第一蠕动泵21，第一蠕动泵21用于将第一容器11内的石墨浆料经微反应通道1泵至第二容器12；

第二容器与微反应通道之间设置有第二蠕动泵22，第二蠕动泵22用于将第二容器12内的石墨浆料经微反应通道1泵至第一容器11。

本发明的制备石墨烯的装置，其中，温控超声设备2包括：

用于盛装水及微反应通道1的水浴容器5；

用于为水浴容器5内的水加热的加热器6，设置于水浴容器5的外部；

用于控制水浴容器5内部的水的温度的温控器7，与加热器6连接；

用于发出超声波使微反应通道1内的石墨浆料剥离的超生波发生器8，设置于水浴容器5的内部。

本发明的制备石墨烯的装置，其中，微反应通道1的一端通过管路与第一蠕动泵21连接。微反应通道1的另一端通过管路与第二蠕动泵22连接。

第一软管31的一端竖直伸入第一容器11中，第一软管31的另一端与第一蠕动泵21连接，第二软管32的一端竖直伸入第二容器12中，第二软管32的另一端与第二蠕动泵22连接。

微反应通道1包括多个沿竖直方向延伸的竖直段101以及多个弯折段102，每一弯折段102连接相邻的竖直段101，以使微反应通道1在水浴容器5的内部弯曲延伸。

本发明的制备石墨烯的方法，包括：

步骤一、配制石墨浆料；

步骤二、使石墨浆料在第一蠕动泵的输送下，从第一容器进入微反应通道，保温并经过超声剥离作用后，进入第二容器，保持微反应通道内的温度为10℃，温控超声设备发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离，超声功率360W。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，还包括：步骤三、待第一容器中石墨浆料输入完毕，且第二容器中不再有液体进入，关闭第一蠕动泵，开启第二蠕动泵，使石墨浆料通过第二蠕动泵泵入微反应通道，保持微反应通道内的温度为10℃，温控超声设备发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离，超声功率360W，使石墨浆料在第二蠕动泵的输送下，从第二容器进入微反应通道，保温并经过超声剥离作用后，进入第一容器。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，还包括：重复所述步骤二、步骤三。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，步骤一配制石墨浆料包括：异丙醇与水混合作溶剂，异丙醇与水的体积比例为3:7，添加溶剂体积比10％的苯扎溴铵溶液作分散剂，将所述溶剂与分散剂加入15000目石墨烯粉，使石墨固体重量含量为5％，磁力搅拌使石墨浆料分散均匀。

本发明的制备石墨烯的方法的实施例如下：

一、配制石墨浆料：

异丙醇与水混合作溶剂，异丙醇与水的体积比例为3:7，添加溶剂体积比10％的苯扎溴铵溶液作分散剂，将所述溶剂与分散剂加入15000目石墨烯粉，使石墨固体重量含量为5％，磁力搅拌使石墨浆料分散均匀。

二、石墨剥离：悬浊液状的石墨浆料在第一蠕动泵的输送下，从第一容器进入微反应通道，保温并经过超声剥离作用后，进入第二容器，保持微反应通道内的温度为10℃，温控超声设备发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离，超声功率360W，待第一容器中石墨浆料输入完毕，且第二容器中不再有液体进入，关闭第一蠕动泵，开启第二蠕动泵，使石墨浆料通过第二蠕动泵泵入微反应通道，保持微反应通道内的温度为10℃，温控超声设备发出超声波使微反应通道内的石墨浆料剥离，超声功率360W，使石墨浆料在第二蠕动泵的输送下，从第二容器进入微反应通道，保温并经过超声剥离作用后，进入第一容器；重复上述输送、剥离过程，直到得到符合要求的石墨烯样品。

所制备的石墨烯颗粒形貌如图3所示，图2、图3为所用石墨原料粉体和石墨烯制备产物的SEM照片，从图中可以看出，石墨原料颗粒为3-5μm不规则块状颗粒，所制备的石墨烯颗粒的片层数小于10层，为多层石墨烯颗粒且为薄片状颗粒，石墨烯片的厚度<10nm，表明本发明的技术方案可对石墨颗粒进行有效的剥离并制备石墨烯粉体。

图4为所用石墨原料粉体和石墨烯制备产物的拉曼图谱，拉曼图谱是表征石墨烯材料的有效手段。拉曼图中D、G和2D峰是石墨和石墨烯材料的特征拉曼峰，2D峰在横轴处的位置是判断所制备材料是否为石墨烯的重要依据。石墨材料拉曼图谱的2D峰位置为2710cm-1，峰型不对称。石墨烯材料2D峰峰位在2680cm-1附近，且峰型对称，从图中可以看出，所制备石墨烯产物的2D峰峰位在2679cm-1处，峰型对称性好，则可判定所制备产物为石墨烯粉体。从D峰的强度可知，石墨烯制备产物缺陷度低，保持了纯相石墨粉体的结晶度，所制备的产物的质量较高。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，石墨原料可以为小于15000目片径的石墨粉、膨胀石墨、鳞片石墨或氧化石墨。

本发明的制备石墨烯的方法，其中，配制浆料的溶剂中异丙醇与水的比例也可为异丙醇：水＝7:3。也可选用丙酮、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺溶剂作为配制浆料的溶剂。

本发明的制备石墨烯的装置，其中，微反应通道的直径可在小于1mm的情况下根据物料的尺寸进行更换，例如0.8mm，0.5mm等。

本发明的制备石墨烯的装置，其中，微反应通道材质优先选用耐腐不锈钢钢材，金属材质可保证反应温度的及时传递；微反应通道长度可根据浆料的体积、微反应通道的直径增减。

本发明的制备石墨烯的装置，其中，水浴容器5内部温度可在5-90℃范围内根据实验要求调节，超声功率可在0-1200W之间根据物料需要调节。

本发明的制备石墨烯的装置也可用于其他二维片层材料的剥离，如二硫化钼、氮化硼等，可根据固体原料的不同改变溶剂类别。

本发明的技术方案提供了一种在微反应通道中对石墨烯进行超声剥离的方法和装置。本发明的技术方案借助石墨微粉悬浮液在微反应通道中流动时的流体剪切力和微反应通道中对超声能量的聚集，实现小片径石墨烯的制备。

本发明的技术方案所用微反应通道作为石墨粉剥离过程中的微反应器，所制备的石墨烯质量高，几乎无含氧基团，剥离效率和产率大大提高。

微反应通道由于其微结构具有极大的比表面积、极好的传热和传质能力，可实现物料的均匀高效混合，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可在微反应通道(微反应器)中实现。同时微反应通道具有极高的安全性，可避免实验事故的发生，且在工业放大过程中无放大效应。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。