一种高压制备石墨烯材料的装置及方法与流程

本发明属于碳材料技术领域，具体涉及一种高压制备石墨烯材料的装置及方法。

背景技术：

石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。目前，关于石墨烯的制备主要包括以下几种方法：机械分离法、氧化石墨还原法、sic热解外延生长法和化学气相沉积法等。其中机械分离法通过机械力把单层石墨片从石墨晶体中剥离出来，这种方法获得的单层石墨片比较完整，但无法控制单层石墨的尺寸大小；氧化石墨还原法是把氧化的石墨放入到水中进行超声处理，再加入肼作为还原剂进行回流获得的，虽然肼是一种强还原剂，但是由于被氧化的石墨较难被还原，从而导致其电学性能不足，另外，肼是一种剧毒化合物，大量使用对环境污染较为严重；sic热解法是利用si和c饱和蒸汽压的不同，通过加热单晶6h-sic脱去si，从sic表面得到单层石墨，这种方法得到的单层石墨受衬底影响大，c层上的单层石墨有着不错的导电能力，然而si层上的石墨烯导电性会受到很大影响，并且这种方法生长的单层石墨很难从衬底上分离；化学气相沉积法是用金属或金属化合物做为衬底，在反应腔体内充入含碳的气体，并在高温下把石墨烯沉积到衬底上的一种方法，这种方法可以实现大规模的石墨烯制备，但是成本高，时间长。专利（cn201410146634.8）公开了一种高压制备石墨烯的装置及方法，其需要将含碳的固态有机物进行预压得到块状原材料，再进行一系列的高压流程,还要进行卸压冷却脱模,该方法操作增加成本，且制备时间长，不利于快速工业化生产。因此，探索石墨烯的制备方法，对其应用也非常重要。

高压作为成分和温度以外的第三个热力学维度，可以改变材料的许多物理和化学性质，如改变材料的形貌、结构和电子状态，形成常压下难以得到的新物质。近年来，人们在高压下碳材料的研究方面也进行大量的研究工作，但至今还没有高压制备石墨烯材料的装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压制备石墨烯材料的装置及方法，目的在于解决石墨烯制备技术成本高、时间长、无法快速工业化生产的问题，实现对石墨烯的制备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种高压制备石墨烯材料的装置，所述装置为扛温抗压容器（1），所述容器为圆柱形结构，分为上下两部分，上部分为实心压力管，下部分为容器底座，内部空腔（3）可容纳气体；所述实心压力管外壁紧密贴合容器底座内部空腔，且可上下移动，用于快速实现气体压缩产生高温高压的条件；所述容器底座上端侧壁设置有氧气进口（6）、乙炔或乙烯气体进口（7）；所述容器底座下端侧壁设置有石墨烯提取出口（8）、剩余气体出口（9）。

进一步地，所述实心压力管外径略小于容器底座内径，以达到紧密贴合的目的，保证实心压力管在下落过程中，容器底座内部空腔处于高温高压状态。

进一步地，所述氧气进口，乙炔或乙烯气体进口，进口带有密封开关，且只进不出。

进一步地，所述石墨烯提取出口，剩余气体出口，出口带有密封开关，且只出不进。

进一步地，所述容器内气体在化学反应时，容器处于最大容纳气体，除反应气体外无其他气体。

进一步地，氧气和乙炔或乙烯气体按照体积比3：5-3：10比例注入，对容器进行压缩，产生高温高压条件，生成石墨烯和剩余气体，先通过剩余气体出口将气体抽取，再打开石墨烯提取出口，在容器内壁生成的石墨烯材料刮离提取，最后将出口密合，再进行一次气体抽离，保证无其他气体进入。

本发明还提供上述装置制备石墨烯材料的方法，具体包括以下步骤：

步骤一：在扛温抗压的容器内通过氧气进口、乙炔或乙烯气体进口充入氧气和乙炔或乙烯气体；

步骤二：实心压力管迅速下落，容器底座内部空腔处于高温高压状态，在高压的条件，氧气和乙炔或乙烯气体产生化学反应，并在容器内进行封闭式爆炸，保持状态10-30分钟；

步骤三：容器内气体充分反应后，容器进行卸压降温处理，打开剩余气体出口提取剩余气体；容器底座底部表面形成步骤二中爆炸后黑色产物，通过石墨烯提取出口对黑色产物进行刮离提取，得到石墨烯材料；

步骤四：清理容器，将出口密合，再进行一次气体抽离，保证无其他气体进入，循环步骤一。

步骤一中氧气和乙炔或乙烯气体按照体积比3：5-3：10比例注入。

步骤二中压力p的取值范围为：200mpa≤p≤600mpa，温度在200℃-1200℃。

所述制备的石墨烯材料纯度较高，生成的石墨烯的厚度为单层、两层或少层，形貌为球状、棒状或片状；其中少层是指制备得到的石墨烯材料包括3-5层碳结构。

本发明的有益效果为：本发明未使用任何酸碱及有害试剂，绿色环保，本发明方法过程简单、成本低，耗能节约，减少化学污染，并且获取石墨烯周期时间段，所获得的多种石墨烯材料重复性好而且极其容易扩大规模用于工业生产。

附图说明

图1为本发明高压制备石墨烯材料的装置及方法流程图。

图2为本发明高压制备石墨烯材料的装置结构示意图（a-外形图，b-内部拉伸示意图，c-内部压缩示意图）。

图3为本发明中制备的改性氧化石墨烯的扫描电镜图。

图中：1-扛温抗压容器，2-实心压力管，3-内部空腔，4-容器底座，5-石墨烯材料，6-氧气进口，7-乙炔或乙烯气体进口，8-石墨烯提取出口，9-剩余气体出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例1：

如图2所示，一种高压制备石墨烯材料的装置，所述装置为扛温抗压容器1，所述容器为圆柱形结构，分为上下两部分，上部分为实心压力管，下部分为容器底座，内部空腔3可容纳气体；所述实心压力管外壁紧密贴合容器底座内部空腔，且可上下移动，用于快速实现气体压缩产生高温高压的条件；所述容器底座上端侧壁设置有氧气进口6、乙炔或乙烯气体进口7；所述容器底座下端侧壁设置有石墨烯提取出口8、剩余气体出口9。所述实心压力管外径略小于容器底座内径，以达到紧密贴合的目的，保证实心压力管在下落过程中，容器底座内部空腔处于高温高压状态。所述氧气进口，乙炔或乙烯气体进口，进口带有密封开关，且只进不出；所述石墨烯提取出口，剩余气体出口，出口带有密封开关，且只出不进。所述容器内气体在化学反应时，容器处于最大容纳气体，除反应气体外无其他气体。

氧气和乙炔或乙烯气体按照体积比3：5-3：10比例注入，对容器进行压缩，产生高温高压条件，生成石墨烯和剩余气体，先通过剩余气体出口将气体抽取，再打开石墨烯提取出口，在容器内壁生成的石墨烯材料刮离提取，最后将出口密合，再进行一次气体抽离，保证无其他气体进入。

实施例2

如图1所示，本发明的高压制备石墨烯材料的方法，包括以下步骤：

步骤一：在扛温抗压的容器内通过氧气进口、乙炔或乙烯气体进口充入氧气和乙炔或乙烯气体；

步骤二：实心压力管迅速下落，容器底座内部空腔处于高温高压状态，在高压的条件，氧气和乙炔或乙烯气体产生化学反应，并在容器内进行封闭式爆炸，保持状态10-30分钟；

步骤三：容器内气体充分反应后，容器进行卸压降温处理，打开剩余气体出口提取剩余气体；容器底座底部表面形成步骤二中爆炸后黑色产物，通过石墨烯提取出口对黑色产物进行刮离提取，得到石墨烯材料；

步骤四：清理容器，将出口密合，再进行一次气体抽离，保证无其他气体进入，循环步骤一。

步骤一中氧气和乙炔或乙烯气体按照体积比3：5-3：10比例注入。

步骤二中压力p的取值范围为：200mpa≤p≤600mpa，温度在200℃-1200℃。

所制备的石墨烯材料纯度较高，生成的石墨烯的厚度为单层、两层或少层，形貌为球状、棒状或片状；其中少层是指制备得到的石墨烯材料包括3-5层碳结构，如图3所示。