一种石墨烯的醇修复装置和醇修复方法与流程

本发明涉及石墨烯
技术领域：
，尤其涉及一种石墨烯的醇修复装置和醇修复方法。
背景技术：
：石墨烯自发现以来，由于其具有大的理论比表面积，突出的导热性能、优良的力学性能、较高的电子迁移率以及完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应，而使得其在电子、生物医药、信息和能源等领域均具有广阔的应用前景。氧化还原方法是目前低成本制备石墨烯的最为有效的方法，然而，通过该方法所制备的石墨烯通常具有空位缺陷以及杂原子掺杂缺陷(主要是氧原子)，空位缺陷是指石墨烯层上的六元碳环里，出现了一个或一个以上的碳原子缺失，从而使石墨烯中形成了空位。杂质原子掺杂缺陷是指杂质原子吸附到石墨烯片上不易脱离，或者杂质原子直接取代石墨烯结构中碳原子。这些缺陷使得制备所获得的石墨烯的性能大打折扣。为了降低以上缺陷，提高石墨烯的品质，需要对石墨烯的结构进行修复，目前多用的方法是在高温下通入还原性气体，例如氢气、氨气，或者通入碳源甲烷、乙醇、乙烯等来除氧或者是修复空位缺陷。研究发现：这些修复剂中以醇类的修复效果最好。目前石墨烯的醇修复通常是将一定量的待修复的石墨烯粉末置于反应炉中，并在隔绝空气的条件下向反应炉中通入醇蒸汽，快速升温以通过所述醇蒸汽对所述石墨烯粉末进行修复，每次修复加入的量有限，且每修复一次需要设备降温，耗时较长，限制了石墨烯粉体的大规模修复。技术实现要素：本发明的实施例提供一种石墨烯的醇修复装置和醇修复方法，能够在反应装置不进行降温的情况下对石墨烯在醇蒸汽氛围内进行连续修复，为石墨烯的大规模生产与修复创造条件。为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：一方面，本发明实施例提供一种石墨烯的醇修复装置，包括：反应装置，反应装置包括进料口和出料口；第一盛料装置，第一盛料装置包括进料口、出料口和第一吹送气进口，第一盛料装置的进料口用于通入待修复的石墨烯粉体，第一盛料装置的出料口与反应装置的进料口连通，第一吹送气进口用于通入惰性气体；醇蒸汽发生装置，醇蒸汽发生装置与反应装置的进料口连通，醇蒸汽发生装置用于产生醇蒸汽并将醇蒸汽通入反应装置中；出料装置，出料装置与反应装置的出料口连通。可选的，第一盛料装置的出料口和反应装置的进料口之间设置有旋风输料装置，旋风输料装置包括进口、气体出口和固体出口，旋风输料装置的进口与第一盛料装置的出料口连通，旋风输料装置的固体出口与反应装置的进料口连通。优选的，旋风输料装置的固体出口与反应装置的进料口通过第二管道连通，第二管道上靠近旋风输料装置的固体出口的位置设置有第二吹送气进口，第二吹送气进口用于通入惰性气体，对第二管道内的石墨烯粉体进行辅助吹送，以对第二管道进行疏通。进一步的，醇蒸汽发生装置包括第二盛料装置和加热装置，第二盛料装置用于盛放液态醇，加热装置用于对所述液态醇进行加热，第二盛料装置包括蒸汽出口和第三吹送气进口，第三吹送气进口用于通入惰性气体，蒸汽出口与反应装置的进料口连通。优选的，醇蒸汽发生装置与反应装置的进料口通过第三管道连通，第二管道的第一端与旋风输料装置的固体出口连通，第三管道的第一端与醇蒸汽发生装置的蒸汽出口连通，第三管道的第二端与反应装置的进料口连通，第二管道的第二端与第三管道连通。可选的，第二管道和/或第三管道外包覆有电加热套。优选的，出料装置包括气固分离装置和收集装置，气固分离装置包括进口、气体出口和固体出口，气固分离装置的进口与反应装置的出料口连通，收集装置与气固分离装置的固体出口连通。进一步的，气固分离装置包括旋风分离器，旋风分离器为倒锥形漏斗结构，气固分离装置的气体出口位于倒锥形漏斗结构的顶部，气固分离装置的固体出口位于倒锥形漏斗结构的底部。另一方面，本发明实施例提供一种石墨烯的醇修复方法，应用于如上所述的醇修复装置，醇修复方法包括：步骤1)向第一盛料装置中通入预设量的待修复石墨烯粉体，通过第一吹送气进口向第一盛料装置中以第一预设流速吹送惰性气体，将待修复石墨烯粉体输送入反应装置中；步骤2)通过醇蒸汽发生装置产生醇蒸汽并通入反应装置中，使得醇蒸汽作为修复剂在预设温度下对待修复石墨烯粉体进行修复；步骤3)通过第一吹送气进口向第一盛料装置中以第二预设流速吹送惰性气体，将修复完成后的石墨烯粉体吹送入出料装置中。优选的，所预设温度为800-1000℃；第一预设流速为0.5-4L/min；第二预设流速为10-20L/min。优选的，当醇蒸汽发生装置包括第二盛料装置和加热装置时，通过醇蒸汽发生装置产生醇蒸汽并将醇蒸汽通入反应装置中具体包括：将液态醇加入第二盛料装置中，通过加热装置对液态醇进行加热，并通过第二吹送气进口向第二盛料装置中以第三预设流速吹送惰性气体，将液态醇挥发的醇蒸汽带入反应装置中。优选的，通过所述第一吹送气进口向第一盛料装置中以第一预设流速吹送惰性气体，将待修复石墨烯粉体输送入反应装置中之前还包括：通过第一吹送气进口向反应装置中以第四预设流速吹送惰性气体预设时间，对反应装置进行惰性气体置换。优选的，液态醇为3-丁烯-1-醇。本发明实施例提供了一种石墨烯的醇修复装置和醇修复方法，在对石墨烯进行醇修复时，待修复石墨烯粉体能够在隔绝空气条件下被吹送入反应装置中并向所述反应装置中通入醇蒸汽，能够将待修复的石墨烯连续输送入醇蒸汽氛围内对其进行修复，并且，在修复完成之后，通过调节惰性气体的流速，将修复后的石墨烯粉体吹送入出料装置中收集起来，从而能够在反应装置不进行降温的情况下对石墨烯在醇蒸汽氛围内进行连续修复，为石墨烯的大规模生产与修复创造条件。克服了现有技术中对石墨烯进行醇修复时每次进入的量有限，每修复完一次需要设备降温，耗时较长而使得石墨烯的大规模生产和修复造成限制的缺陷。附图说明图1为本发明实施例提供的一种石墨烯的醇修复装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的另一种石墨烯的醇修复装置的结构示意图；图3为本发明实施例提供的另一种石墨烯的醇修复装置的结构示意图；图4为本发明实施例提供的另一种石墨烯的醇修复装置的结构示意图；图5为本发明实施例提供的再一种石墨烯的醇修复装置的结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种石墨烯的醇修复方法的流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明实施例提供的一种石墨烯的醇修复装置和醇修复方法进行详细描述。一方面，本发明实施例提供一种石墨烯的醇修复装置，参见图1，包括：反应装置1，反应装置1包括进料口和出料口；第一盛料装置2，第一盛料装置2包括进料口、出料口和第一吹送气进口，第一盛料装置2的进料口用于通入待修复的石墨烯粉体，第一盛料装置2的出料口与反应装置的进料口连通，第一吹送气进口用于通入惰性气体；醇蒸汽发生装置3，醇蒸汽发生装置3与反应装置1的进料口连通，醇蒸汽发生装置3用于产生醇蒸汽并将醇蒸汽通入反应装置1中；出料装置4，出料装置4与反应装置1的出料口连通。本发明实施例提供了一种石墨烯的醇修复装置，在对石墨烯进行醇修复时，待修复石墨烯粉体能够在隔绝空气条件下被吹送入反应装置1中，向反应装置1中通入醇蒸汽，能够将待修复的石墨烯连续输送入醇蒸汽氛围内对其进行修复，并且，在修复完成之后，通过调节惰性气体的流速，将修复后的石墨烯粉体吹送至出料装置4中，从而能够在反应装置1不进行降温的情况下对石墨烯在醇蒸汽氛围内进行连续修复，为石墨烯的大规模生产与修复创造条件。克服了现有技术中对石墨烯进行醇修复时每次进入的量有限，每修复完一次需要设备降温，耗时较长而使得石墨烯的大规模生产和修复造成限制的缺陷。本发明的一实施例中，出料装置4包括气固分离装置41和收集装置42，气固分离装置41包括进口、气体出口和固体出口，气固分离装置41的进口与反应装置1的出料口连通，收集装置42与气固分离装置41的固体出口连通。通过设置气固分离装置41能够将气体从所述气体出口排出，保持醇修复装置内外的气压平衡，降低所述醇修复装置的承压需求，并且还能够将分离出来的石墨烯粉体收集在收集装置42中。本发明的一实施例中，第一盛料装置2为三口烧瓶，三口烧瓶中部的口为进料口，其余两个口中一个口为第一吹送气进口，另一个口为出料口。通过向其中加入待修复石墨烯粉体，再通过第一吹送器进口吹送惰性气体，能够将待修复石墨烯粉体卷起，并将待修复石墨烯粉体带入反应装置1中。其中，三口烧瓶为玻璃材质，通过三口烧瓶能够看到待修复石墨烯粉体被卷起并被吹送入反应装置1的整个进料过程，并通过对惰性气体的流速进行控制，能够对待修复石墨烯粉体的进料量进行控制。优选的，反应装置1为管式炉，反应装置1的进料口和出料口相对设置于管式炉的两端。管式炉有利于待修复石墨烯粉体的输入和反应完成后的石墨烯粉体的输出。其中，对气固分离装置41的结构不做限定，只要能够将吹送入的惰性气体和石墨烯粉体分离开即可。本发明的一实施例中，气固分离装置41为旋风分离器，旋风分离器为倒锥形漏斗结构，气固分离装置41的气体出口位于倒锥形漏斗结构的顶部，气固分离装置41的固体出口位于倒锥形漏斗结构的底部。采用旋风分离器，能够通过离心力将待修复的石墨烯粉体从所述惰性气体中分离出来，并且待修复的石墨烯粉体被分离之后能够靠重力作用沉降至气固分离装置41的固体出口，惰性气体则向上扩散从气固分离装置41的气体出口排出，符合流体运动规律，减少不必要的能量损失。由于所述石墨烯粉体较轻，在惰性气体的带动容易从气体出口溢出，优选的，气固分离装置41的气体出口上连接有粉尘过滤袋5。这样，能够将待修复的石墨烯粉体过滤下来，从而使其在重力作用下沉降下来，避免污染空气。本发明的又一实施例中，参见图2，反应装置1的出料口与气固分离装置41的进口之间还设置有换热器6。能够对反应所获得的石墨烯粉体进行换热。其中，对换热器6的结构不做限定。本发明的一实施例中，反应装置1的出料口与气固分离装置41的进口通过第一管道a连通，换热器6包括壳体61以及盛放于壳体61内的换热介质，第一管道a的至少一部分折弯成弧形设置在换热介质中。这样，对石墨烯粉体在所述第一管道a中的输送阻力较小，并且还能够增大石墨烯粉体的换热路径，提高换热效果。其中，换热介质可以为冰水混合物。本发明的一实施例中，参见图3，第一盛料装置2的出料口和反应装置1的进料口之间设置有旋风输料装置7，旋风输料装置7包括进口、气体出口和固体出口，旋风输料装置7的进口与所述第一盛料装置2的出料口连通，旋风输料装置7的固体出口与反应装置1的进料口连通。通过设置旋风输料装置7，能够通过离心力将待修复石墨烯粉体从所述惰性气体中分离出来，并通过固体出口将沉降下来的待修复石墨烯粉体输送入反应装置1中，能够实现均匀送料。本发明的又一实施例中，旋风输料装置7的固体出口与反应装置1的进料口通过第二管道b连通，第二管道b上靠近旋风输料装置7的固体出口的位置设置有第二吹送气进口，第二吹送气进口用于通入惰性气体，对第二管道b内的石墨烯粉体进行辅助吹送，以对第二管道b进行疏通。本发明的一实施例中，参见图4，醇蒸汽发生装置3包括第二盛料装置31和加热装置32，第二盛料装置31用于盛放液态醇，加热装置32用于对液态醇进行加热，第二盛料装置31包括蒸汽出口和第三吹送气进口，第三吹送气进口用于通入惰性气体，蒸汽出口与反应装置1的进料口连通。通过对液态醇进行加热，醇蒸汽挥发出来，再通入惰性气体，能够将醇蒸汽带入反应装置1中。其中，需要说明的是，为了加大醇蒸汽的进料，还可以对液态醇进行搅拌，提高液态醇的挥发速度。其中，第二盛料装置31可以为烧瓶，对液态醇进行搅拌时可以采用磁力搅拌。本发明的又一实施例中，醇蒸汽发生装置3与所述反应装置1的进料口通过第三管道c连通，第二管道b的第一端与旋风输料装置7的固体出口连通，第三管道c的第一端与醇蒸汽发生装置3的蒸汽出口连通，第三管道c的第二端与反应装置1的进料口连通，第二管道b的第二端与第三管道c连通。在本发明实施例中，通过将第二管道b的第二端与第三管道c连通，能够在将第二管道b中的石墨烯粉体输送入第三管道c中时，通过第三管道c中通入的惰性气体被均匀输送入反应装置1中。本发明的又一实施例中，参见图5，第二管道b和/或第三管道c外包覆有电加热套8。所述电加热套8能够对通过第二管道b的待修复石墨烯粉体和/或通过第三管道c的醇蒸汽进行保温。这样，能够防止所述醇蒸汽的冷凝。另一方面，本发明实施例提供一种石墨烯的醇修复方法，应用于如上所述的醇修复装置，参见图6，醇修复方法包括：步骤1)向第一盛料装置中通入预设量的待修复石墨烯粉体，通过第一吹送气进口向第一盛料装置中以第一预设流速吹送惰性气体，将待修复石墨烯粉体输送入反应装置中；步骤2)通过醇蒸汽发生装置产生醇蒸汽并通入反应装置中，使得醇蒸汽作为修复剂在预设温度下对待修复石墨烯粉体进行修复；步骤3)通过第一吹送气进口向第一盛料装置中以第二预设流速吹送惰性气体，将修复完成后的石墨烯粉体吹送入出料装置中。本发明实施例提供了一种石墨烯的醇修复方法，在对石墨烯进行醇修复时，待修复石墨烯粉体能够在隔绝空气条件下被吹送入反应装置中，向反应装置中通入醇蒸汽，能够将待修复的石墨烯连续输送入醇蒸汽氛围内对其进行修复，并且，在修复完成之后，通过调节惰性气体的流速，将修复后的石墨烯粉体吹送至出料装置中，能够在反应装置不进行降温的情况下对石墨烯在醇蒸汽氛围内进行连续修复，为石墨烯的大规模生产与修复创造条件。克服了现有技术中对石墨烯进行醇修复时每次进入的量有限，每修复完一次需要设备降温，耗时较长而使得石墨烯的大规模生产和修复造成限制的缺陷。本发明的一实施例中，预设温度为800-1000℃。在该预设温度下，所述石墨烯粉体与醇蒸汽发生修复反应时，待修复石墨烯粉体中的氧变为小分子化合物如二氧化碳和水，从石墨烯粉体的片层间溢出，能够提高所述石墨烯粉体的质量。本发明的又一实施例中，第一预设流速为0.5-4L/min；第二预设流速为10-20L/min。采用该流速范围，所述惰性气体一方面作为保护气为醇修复装置提供惰性氛围，另一方面，还能够作为动力源把待修复石墨烯粉体吹送入所反应装置中，把修复完成后的石墨烯粉体吹送入出料装置中。本发明的一实施例中，所述通过醇蒸汽发生装置产生醇蒸汽并将醇蒸汽通入反应装置中具体包括：将液态醇加入第二盛料装置中，通过加热装置对液态醇进行加热，并通过第二吹送气进口向第二盛料装置中以第三预设流速吹送惰性气体，将液态醇挥发的醇蒸汽带入反应装置中。在本发明实施例中，采用惰性气体对醇蒸汽进行吹送，能够提高液态醇的挥发量，也能够对醇蒸汽的进料量进行控制。优选的，第三预设流速为0.2-1L/min。本发明的又一实施例中，通过第一吹送气进口向第一盛料装置中以第一预设流速吹送惰性气体，将所述待修复石墨烯粉体输送入反应装置中之前还包括：通过第一吹送气进口向反应装置中以第四预设流速吹送惰性气体预设时间，对反应装置进行惰性气体置换。为石墨烯粉体的醇修复反应提供惰性氛围。优选的，预设时间为30min。其中，对液态醇的种类不做限定，液态醇可以为乙醇，也可以为甲醇。本发明的一实施例中，液态醇为3-丁烯-1-醇。采用3-丁烯-1-醇对所述石墨烯粉体进行修复与采用乙醇、甲醇对石墨烯粉体进行修复相比，在同等的修复条件下修复效果较好。从理论上分析，由于现有的石墨烯粉体中存在空位缺陷，当对石墨烯粉体进行退火修复时，能够使石墨烯粉体中的氧原子变为小分子物质从石墨烯粉体中溢出，但是修复效果较差；当采用乙醇对石墨烯粉体进行修复时，部分乙醇在高温下分解释放出甲烷气体，或者有的碳原子代替石墨烯粉体中的氧原子，而部分乙醇高温分解为乙烯，与石墨烯粉体中的空位周边的苯环发生加成反应，从而能够修复空位；当采用甲醇对石墨烯粉体进行修复时，甲醇在高温下仅能够释放出甲烷气体或者通过碳原子将石墨烯粉体中的氧原子去除，对空位修复的作用比较弱；当采用3-丁烯-1-醇对石墨烯粉体进行修复时，3-丁烯-1-醇可以在高温下分解为丁二烯化合物，丁二烯化合物与空位缺陷边缘的苯环能够发生Dies-Alder反应，生成新的六元环，同时，3-丁烯-1-醇在高温下分解后的其他物质例如甲烷能够起到除氧的作用；所以，乙醇、甲醇和3-丁烯-1-醇对石墨烯粉体的修复效果依次为3-丁烯-1-醇、乙醇和甲醇。另外，我们通过在一定的温度下(800-1000℃)采用乙醇、甲醇和3-丁烯-1-醇对石墨烯粉体进行修复，并对修复所获得的石墨烯粉体分别进行电导率测试和拉曼光谱表征，结果如下表1所示。其中，电导率是一个物理学概念，指在介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度。电导率的物理意义是表示物质导电的性能。电导率越大则导电性能越强，反之越小。通常，石墨烯粉体的电导率与所述石墨烯粉体的杂原子氧的含量和空位缺陷的多少有关，所述石墨烯粉体中的缺陷越少，其电导率越高。单层石墨烯有两个典型的拉曼特征，分别为位于1582cm-1附近的G峰和位于2700cm-1左右的G'峰，而对于含有缺陷的石墨烯样品或者在石墨烯的边缘处，还会出现位于1350cm-1左右的缺陷D峰，以及位于1620cm-1附近的D'峰；D峰为涉及一个缺陷散射的双共振拉曼过程，因此石墨烯的缺陷会反映在其拉曼D峰上，通过对石墨烯拉曼D峰的检测可以定量地对其缺陷密度进行研究；D峰与G峰的强度比通常被用作表征石墨烯中缺陷密度的重要参数，假设石墨烯中的缺陷为一个零维的点缺陷，两点之间的平均距离为LD，通过计算拉曼光谱D峰与G峰的强度比ID/IG就可以对LD进行定量，从而可以估算出石墨烯中的缺陷密度，拉曼光谱表征中通常采用ID/IG的大小来表征石墨烯粉体表面的缺陷浓度，IG/ID越大说明缺陷浓度越大，ID/IG越小则说明缺陷浓度越小。表1修复剂电导率(S/m)拉曼表征(ID/IG)无800-11001.67甲醇1500-18001.36乙醇2300-26001.213-丁烯-1-醇2800-32000.75从上表1可以得知，对石墨烯粉体进行醇修复比对石墨烯粉体进行退火修复的电导率高，ID/IG的值小，说明对石墨烯粉体进行醇修复的效果更好。而采用3-丁烯-1-醇所测试的电导率最高，ID/IG的值最小，说明3-丁烯-1-醇对所述石墨烯粉体的修复效果最佳，其次是乙醇。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页1 2 3