一种利用低阶煤制备石墨烯薄膜的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种利用低阶煤制备石墨烯薄膜的装 置及方法。
【背景技术】
[0002] 我国是世界上煤炭生产及消费的第一大国，煤炭消费总量占世界总消费量的30% 以上，煤炭消费在我国能源消费中的比例高达76. 7 %。大量煤炭直接燃烧利用，不仅造成了 严重的环境破坏和污染，限制了经济的可持续发展，也直接导致了煤炭这一不可再生碳资 源的极大浪费。
[0003] 作为煤炭资源大国的中国，合理、高效利用煤炭资源，充分利用煤自身结构和组成 特征，提高煤炭利用的附加值是现阶段我国需要解决的关键问题。石墨烯作为新型的碳材 料，由于其特殊的性能及广泛的应用领域而受到了极大地关注，因此，如果能够将天然碳资 源------煤炭，特别是在我国储量较大、利用难度较高的低阶煤加以利用，通过一定方法 制备出高品质石墨稀薄膜，无疑会给碳材料的发展及低阶煤的高效利用带来新的契机。
[0004] 石墨烯是碳原子紧密排列成的具有单层蜂窝状结构的一种新型碳材料，其厚度仅 为0. 335nm，仅相当于头发丝直径的20万分之一，是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维 石墨等其他维数碳材料的基本单元。在2004年，曼彻斯特大学的Geim小组首次用机械剥 离法成功制备出了单层或薄层的新型二维原子晶体一一石墨烯。研宄者在胶带上黏上一层 石墨薄片，把有粘性的一面对折相接触，再把胶带撕开，石墨薄片就这样克服了层与层之间 的引力而被一分为二，通过不断重复这个过程，石墨薄片会越来越薄，直至得到少层乃至单 层的石墨烯，而且可以很稳定的存在于外界环境中。
[0005] 不同于机械剥离法的繁琐，化学气相沉积（CVD)法是指把反应物在气态条件下及 反应所需其它气体（多为保护气）引入反应室，在基底表面发生化学反应并沉积在固体基 底表面上，进而制得固体材料的工艺技术。
[0006] 目前比较普遍的CVD装置设计复杂，有真空系统及冷却系统，造价昂贵。传统的 CVD法制备石墨烯也主要是以气体原料作为碳源，近年也有用醇类、苯及其衍生物和PMMA 作为液相及固相碳源制备石墨烯的研宄出现。截止目前，尚未发现任何采用低阶煤为原料， 通过CVD法制备煤基石墨烯的相关技术见诸报道。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用低阶 煤制备石墨烯薄膜的装置。该装置结构简单，设计新颖合理，实现方便，实用性强，使用效果 好，便于推广；通过设置三通管件，使反应气在石英管外充分混合，有利于石英管内的化学 气相沉积反应的进行；通过在进气塞上水平穿设两端均开口的通管，并在通管上位于石英 管外侧部分安装阀门，使用过程中可打开阀门，采用推杆等穿过通管可对位于石英管内的 第二瓷舟的位置进行调整，操作方便简单。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用低阶煤制备石墨烯薄 膜的装置，其特征在于，包括水平管式炉、石英管、氩气储罐、氢气储罐和三通管件，所述石 英管活动设置于水平管式炉的刚玉管中且石英管的两端均位于水平管式炉外，所述石英管 内设置有用于盛装基底的第一瓷舟和用于盛装煤粉的第二瓷舟，所述石英管的一端设置有 进气塞，石英管的另一端设置有排气塞，所述排气塞上开设有排气口，所述进气塞上开设有 与混合气体管路相连通的进气口，所述混合气体管路与三通管件的第一通路连接，所述三 通管件的第二通路通过氩气管路与氩气储罐连接，所述三通管件的第三通路通过氢气管路 与氢气储罐连接，所述进气塞上水平穿设有两端均开口的通管，所述通管位于石英管外侧 部分安装有阀门。
[0009] 上述的一种利用低阶煤制备石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述混合气体管路 上设置有混合气体流量计，所述氩气管路上设置有氩气流量计，所述氢气管路上设置有氢 气流量计。
[0010] 上述的一种利用低阶煤制备石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述水平管式炉的 两侧设置有用于支撑石英管的支撑架，所述排气口处设置有排气管。
[0011] 上述的一种利用低阶煤制备石墨烯薄膜的装置，其特征在于，还包括用于向水平 管式炉内通入空气的冷却管道，所述冷却管道的进气端与空气泵的出气口连接，冷却管道 的出气端设置于石英管与水平管式炉的刚玉管之间。
[0012] 另外，本发明还提供了一种采用上述装置制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包 括以下步骤：
[0013] 步骤一、打开石英管的进气塞，将盛装有基底的第一瓷舟和盛装有煤粉的第二瓷 舟均装入石英管中，其中第一瓷舟位于石英管的中部位置，第二瓷舟位于靠近进气塞的位 置，然后装好进气塞并使阀门处于关闭状态；所述基底为铜箔；所述煤粉为脱灰后的低阶 煤煤粉；
[0014] 步骤二、打开氩气储罐，向石英管中通入氩气置换石英管内的气体；
[0015] 步骤三、将水平管式炉加热至炉内加热温区的温度为950°C~1000°C，然后调整 石英管的位置使第一瓷舟位于水平管式炉的加热温区，打开氢气储罐，对第一瓷舟内的基 底进行还原处理；
[0016] 步骤四、还原处理结束后，打开阀门，使用推杆穿过通管将第二瓷舟推至水平管式 炉的加热温区，在氩气流量和氢气流量均为30mL/min~80mL/min的条件下进行化学气相 沉积处理；
[0017] 步骤五、化学气相沉积处理结束后，停止加热水平管式炉，调节氩气流量为ISOmL/ min~220mL/min并关闭氢气储罐，冷却后在基底表面得到石墨稀薄膜。
[0018] 上述的方法，其特征在于，步骤一中所述铜箔的厚度为20 μπι~50 μπι。
[0019] 上述的方法，其特征在于，步骤二中所述氩气的流量为180mL/min~220mL/min， 置换的时间为20min~40min。
[0020] 上述的方法，其特征在于，步骤三中所述还原处理的氢气流量为180mL/min~ 220mL/min，还原处理的时间为IOmin~20min。
[0021] 上述的方法，其特征在于，步骤四中所述化学气相沉积处理的时间为20min~ 40min〇
[0022] 上述的方法，其特征在于，步骤五中所述冷却的降温速率不大于10°C /min。
[0023] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0024] 1、本发明的装置结构简单，设计新颖合理，实现方便，实用性强，使用效果好，便于 推广；通过设置三通管件，使反应气在石英管外充分混合，有利于石英管内的化学气相沉积 反应的进行；通过在进气塞上水平穿设两端均开口的通管，并在通管上位于石英管外侧部 分安装阀门，使用过程中可打开阀门，采用推杆等穿过通管可对位于石英管内的第二瓷舟 的位置进行调整，操作方便简单。
[0025] 2、本发明的装置优选在石英管与水平管式炉的刚玉管之间设置冷却管道，在化学 气相沉积反应结束后可加快降温速率。
[0026] 3、本发明不同于传统的主要以气体作为碳源的方法，直接以煤炭作为碳源，原料 廉价易得，制备过程中将煤粉置于管式炉的加热温区，在高温环境中煤有机大分子发生分 解，分解产物在接触高温基底后进一步发生二次分解，所生成的碳原子在基底表面沉积，并 以Sp 2杂化的方式形成石墨烯薄膜。
[0027] 4、本发明通过将煤炭这种化石能源向碳材料转换，实现了能源的高效功能化利 用，方法简单易行，设备成本低，借助常规技术资源即可制备出质量优良的煤基石墨烯。
[0028] 下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明装置的结构示意图。
[0030] 图2为本发明石英管的结构示意图。
[0031] 图3为本发明实施例2制备的石墨烯薄膜的拉曼光谱图。
[0032] 图4为本发明实施例2制备的石墨烯薄膜的光学显微镜图片。
[0033] 图5为本发明实施例2制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜图片。
[0034] 图6为本发明实施例2制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜高度图片。
[0035] 图7为本发明实施例3制备的石墨烯薄膜的拉曼光谱图。
[0036] 图8为本发明实施例3制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜图片。
[0037] 图9为本发明实施例3制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜高度图片。
[0038] 图10为本发明实施例4制备的石墨烯薄膜的拉曼光谱图。
[0039] 图11为本发明实施例4制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜图片。
[0040]图12为本发明实施例4制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜高度图片。
[0041]图13为本发明实施例5制备的石墨烯薄膜的拉曼光谱图。
[0042] 图14为本发明实施例5制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜图片。
[0043] 图15为本发明实施例5制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜高度图片。
[0044]图16为本发明实施例6制备的石墨烯薄膜的拉曼光谱图。
[0045] 图17为本发明实施例6制备的石墨烯薄膜的原子力显微镜图片。
[0046] 图18为本发明实施例6制备