本發(fā)明涉及碳的制備，特別是涉及一種制備石墨烯的裝置及方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是由碳原子以sp²雜化軌道按蜂窩狀晶格排布而成的單層二維原子晶體。石墨烯是已知最薄、最堅(jiān)韌的納米材料，其硬度超過鉆石；單層石墨烯幾乎完全透明，僅有2.3％的吸光度；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，電阻率只有10-6Ω·cm，是最優(yōu)異的熱和電的導(dǎo)體。石墨烯因其優(yōu)異的理化性質(zhì)，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。石墨烯在研究和應(yīng)用中主要為石墨烯薄膜和石墨烯粉體兩種形式，其中以石墨烯粉體的應(yīng)用較為廣泛。石墨烯高效、高質(zhì)量、低成本的制備是實(shí)現(xiàn)石墨烯工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

目前石墨烯粉體的制備方法包括機(jī)械剝離法、氧化石墨烯還原法、電化學(xué)剝離法，其中以機(jī)械剝離法所制備的粉體質(zhì)量高，幾乎無含氧官能團(tuán)存在。超聲輔助剝離和機(jī)械剪切剝離是機(jī)械剝離法中主流的方法，但這兩種方法都存在不足。機(jī)械剪切剝離法產(chǎn)率低，超聲輔助剝離法由于顆粒間的大量堆疊，剝離耗時(shí)，因而效率也較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種效率較高的制備石墨烯的裝置及方法。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，包括：

用于盛裝石墨漿料的第一容器以及第二容器；

設(shè)置于第一容器、第二容器之間的微反應(yīng)通道；

設(shè)置于第一容器、第二容器之間的用于控制微反應(yīng)通道內(nèi)部溫度以及用于發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離的溫控超聲設(shè)備；

第一容器與微反應(yīng)通道之間設(shè)置有第一蠕動(dòng)泵，第一蠕動(dòng)泵用于將第一容器內(nèi)的石墨漿料經(jīng)微反應(yīng)通道泵至第二容器；

第二容器與微反應(yīng)通道之間設(shè)置有第二蠕動(dòng)泵，第二蠕動(dòng)泵用于將第二容器內(nèi)的石墨漿料經(jīng)微反應(yīng)通道泵至第一容器。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，其中，溫控超聲設(shè)備包括：

用于盛裝水及微反應(yīng)通道的水浴容器；

用于為水浴容器內(nèi)的水加熱的加熱器，設(shè)置于水浴容器的外部；

用于控制水浴容器內(nèi)部的水的溫度的溫控器，與加熱器連接；

用于發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離的超生波發(fā)生器，設(shè)置于水浴容器的內(nèi)部。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，其中，所述微反應(yīng)通道的一端通過管路與第一蠕動(dòng)泵連接，所述微反應(yīng)通道的另一端通過管路與第二蠕動(dòng)泵連接，所述微反應(yīng)通道包括多個(gè)沿豎直方向延伸的豎直段以及多個(gè)彎折段，每一所述彎折段連接相鄰的豎直段，以使所述微反應(yīng)通道在所述水浴容器的內(nèi)部彎曲延伸。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，包括：

步驟一、配制石墨漿料；

步驟二、使石墨漿料在第一蠕動(dòng)泵的輸送下，從第一容器進(jìn)入微反應(yīng)通道，保溫并經(jīng)過超聲剝離作用后，進(jìn)入第二容器，保持微反應(yīng)通道內(nèi)的溫度為10℃，溫控超聲設(shè)備發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離，超聲功率360W。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，還包括：步驟三、待第一容器中石墨漿料輸入完畢，且第二容器中不再有液體進(jìn)入，關(guān)閉第一蠕動(dòng)泵，開啟第二蠕動(dòng)泵，使石墨漿料通過第二蠕動(dòng)泵泵入微反應(yīng)通道，保持微反應(yīng)通道內(nèi)的溫度為10℃，溫控超聲設(shè)備發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離，超聲功率360W，使石墨漿料在第二蠕動(dòng)泵的輸送下，從第二容器進(jìn)入微反應(yīng)通道，保溫并經(jīng)過超聲剝離作用后，進(jìn)入第一容器。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，還包括：重復(fù)所述步驟二、步驟三。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，所述步驟一配制石墨漿料包括：異丙醇與水混合作溶劑，異丙醇與水的體積比例為3:7，添加溶劑體積比10％的苯扎溴銨溶液作分散劑，將所述溶劑與分散劑加入15000目石墨烯粉，使石墨固體重量含量為5％，磁力攪拌使石墨漿料分散均勻。

本發(fā)明的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單、效率較高。本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種在微反應(yīng)通道中對(duì)石墨烯進(jìn)行超聲剝離的方法和裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案借助石墨微粉懸浮液在微反應(yīng)通道中流動(dòng)時(shí)的流體剪切力和微反應(yīng)通道中對(duì)超聲能量的聚集，實(shí)現(xiàn)小片徑石墨烯的制備。本發(fā)明的技術(shù)方案所制備的石墨烯質(zhì)量高，幾乎無含氧基團(tuán)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的制備石墨烯的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的制備石墨烯的方法的實(shí)施例中石墨原料的掃描電子顯微鏡照片；

圖3為本發(fā)明的制備石墨烯的方法的實(shí)施例中的石墨烯產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡照片；

圖4為本發(fā)明的制備石墨烯的方法的實(shí)施例中的所用石墨原料粉體和石墨烯制備產(chǎn)物的拉曼圖譜。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，包括：

用于盛裝石墨漿料的第一容器11以及第二容器12；

設(shè)置于第一容器11、第二容器12之間的微反應(yīng)通道1；

設(shè)置于第一容器11、第二容器12之間的用于控制微反應(yīng)通道1內(nèi)部溫度以及用于發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道1內(nèi)的石墨漿料剝離的溫控超聲設(shè)備2；

第一容器與微反應(yīng)通道之間設(shè)置有第一蠕動(dòng)泵21，第一蠕動(dòng)泵21用于將第一容器11內(nèi)的石墨漿料經(jīng)微反應(yīng)通道1泵至第二容器12；

第二容器與微反應(yīng)通道之間設(shè)置有第二蠕動(dòng)泵22，第二蠕動(dòng)泵22用于將第二容器12內(nèi)的石墨漿料經(jīng)微反應(yīng)通道1泵至第一容器11。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，其中，溫控超聲設(shè)備2包括：

用于盛裝水及微反應(yīng)通道1的水浴容器5；

用于為水浴容器5內(nèi)的水加熱的加熱器6，設(shè)置于水浴容器5的外部；

用于控制水浴容器5內(nèi)部的水的溫度的溫控器7，與加熱器6連接；

用于發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道1內(nèi)的石墨漿料剝離的超生波發(fā)生器8，設(shè)置于水浴容器5的內(nèi)部。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，其中，微反應(yīng)通道1的一端通過管路與第一蠕動(dòng)泵21連接。微反應(yīng)通道1的另一端通過管路與第二蠕動(dòng)泵22連接。

第一軟管31的一端豎直伸入第一容器11中，第一軟管31的另一端與第一蠕動(dòng)泵21連接，第二軟管32的一端豎直伸入第二容器12中，第二軟管32的另一端與第二蠕動(dòng)泵22連接。

微反應(yīng)通道1包括多個(gè)沿豎直方向延伸的豎直段101以及多個(gè)彎折段102，每一彎折段102連接相鄰的豎直段101，以使微反應(yīng)通道1在水浴容器5的內(nèi)部彎曲延伸。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，包括：

步驟一、配制石墨漿料；

步驟二、使石墨漿料在第一蠕動(dòng)泵的輸送下，從第一容器進(jìn)入微反應(yīng)通道，保溫并經(jīng)過超聲剝離作用后，進(jìn)入第二容器，保持微反應(yīng)通道內(nèi)的溫度為10℃，溫控超聲設(shè)備發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離，超聲功率360W。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，還包括：步驟三、待第一容器中石墨漿料輸入完畢，且第二容器中不再有液體進(jìn)入，關(guān)閉第一蠕動(dòng)泵，開啟第二蠕動(dòng)泵，使石墨漿料通過第二蠕動(dòng)泵泵入微反應(yīng)通道，保持微反應(yīng)通道內(nèi)的溫度為10℃，溫控超聲設(shè)備發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離，超聲功率360W，使石墨漿料在第二蠕動(dòng)泵的輸送下，從第二容器進(jìn)入微反應(yīng)通道，保溫并經(jīng)過超聲剝離作用后，進(jìn)入第一容器。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，還包括：重復(fù)所述步驟二、步驟三。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，步驟一配制石墨漿料包括：異丙醇與水混合作溶劑，異丙醇與水的體積比例為3:7，添加溶劑體積比10％的苯扎溴銨溶液作分散劑，將所述溶劑與分散劑加入15000目石墨烯粉，使石墨固體重量含量為5％，磁力攪拌使石墨漿料分散均勻。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法的實(shí)施例如下：

一、配制石墨漿料：

異丙醇與水混合作溶劑，異丙醇與水的體積比例為3:7，添加溶劑體積比10％的苯扎溴銨溶液作分散劑，將所述溶劑與分散劑加入15000目石墨烯粉，使石墨固體重量含量為5％，磁力攪拌使石墨漿料分散均勻。

二、石墨剝離：懸濁液狀的石墨漿料在第一蠕動(dòng)泵的輸送下，從第一容器進(jìn)入微反應(yīng)通道，保溫并經(jīng)過超聲剝離作用后，進(jìn)入第二容器，保持微反應(yīng)通道內(nèi)的溫度為10℃，溫控超聲設(shè)備發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離，超聲功率360W，待第一容器中石墨漿料輸入完畢，且第二容器中不再有液體進(jìn)入，關(guān)閉第一蠕動(dòng)泵，開啟第二蠕動(dòng)泵，使石墨漿料通過第二蠕動(dòng)泵泵入微反應(yīng)通道，保持微反應(yīng)通道內(nèi)的溫度為10℃，溫控超聲設(shè)備發(fā)出超聲波使微反應(yīng)通道內(nèi)的石墨漿料剝離，超聲功率360W，使石墨漿料在第二蠕動(dòng)泵的輸送下，從第二容器進(jìn)入微反應(yīng)通道，保溫并經(jīng)過超聲剝離作用后，進(jìn)入第一容器；重復(fù)上述輸送、剝離過程，直到得到符合要求的石墨烯樣品。

所制備的石墨烯顆粒形貌如圖3所示，圖2、圖3為所用石墨原料粉體和石墨烯制備產(chǎn)物的SEM照片，從圖中可以看出，石墨原料顆粒為3-5μm不規(guī)則塊狀顆粒，所制備的石墨烯顆粒的片層數(shù)小于10層，為多層石墨烯顆粒且為薄片狀顆粒，石墨烯片的厚度<10nm，表明本發(fā)明的技術(shù)方案可對(duì)石墨顆粒進(jìn)行有效的剝離并制備石墨烯粉體。

圖4為所用石墨原料粉體和石墨烯制備產(chǎn)物的拉曼圖譜，拉曼圖譜是表征石墨烯材料的有效手段。拉曼圖中D、G和2D峰是石墨和石墨烯材料的特征拉曼峰，2D峰在橫軸處的位置是判斷所制備材料是否為石墨烯的重要依據(jù)。石墨材料拉曼圖譜的2D峰位置為2710cm-1，峰型不對(duì)稱。石墨烯材料2D峰峰位在2680cm-1附近，且峰型對(duì)稱，從圖中可以看出，所制備石墨烯產(chǎn)物的2D峰峰位在2679cm-1處，峰型對(duì)稱性好，則可判定所制備產(chǎn)物為石墨烯粉體。從D峰的強(qiáng)度可知，石墨烯制備產(chǎn)物缺陷度低，保持了純相石墨粉體的結(jié)晶度，所制備的產(chǎn)物的質(zhì)量較高。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，石墨原料可以為小于15000目片徑的石墨粉、膨脹石墨、鱗片石墨或氧化石墨。

本發(fā)明的制備石墨烯的方法，其中，配制漿料的溶劑中異丙醇與水的比例也可為異丙醇：水＝7:3。也可選用丙酮、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺溶劑作為配制漿料的溶劑。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，其中，微反應(yīng)通道的直徑可在小于1mm的情況下根據(jù)物料的尺寸進(jìn)行更換，例如0.8mm，0.5mm等。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，其中，微反應(yīng)通道材質(zhì)優(yōu)先選用耐腐不銹鋼鋼材，金屬材質(zhì)可保證反應(yīng)溫度的及時(shí)傳遞；微反應(yīng)通道長度可根據(jù)漿料的體積、微反應(yīng)通道的直徑增減。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置，其中，水浴容器5內(nèi)部溫度可在5-90℃范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)，超聲功率可在0-1200W之間根據(jù)物料需要調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的制備石墨烯的裝置也可用于其他二維片層材料的剝離，如二硫化鉬、氮化硼等，可根據(jù)固體原料的不同改變?nèi)軇╊悇e。

本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種在微反應(yīng)通道中對(duì)石墨烯進(jìn)行超聲剝離的方法和裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案借助石墨微粉懸浮液在微反應(yīng)通道中流動(dòng)時(shí)的流體剪切力和微反應(yīng)通道中對(duì)超聲能量的聚集，實(shí)現(xiàn)小片徑石墨烯的制備。

本發(fā)明的技術(shù)方案所用微反應(yīng)通道作為石墨粉剝離過程中的微反應(yīng)器，所制備的石墨烯質(zhì)量高，幾乎無含氧基團(tuán)，剝離效率和產(chǎn)率大大提高。

微反應(yīng)通道由于其微結(jié)構(gòu)具有極大的比表面積、極好的傳熱和傳質(zhì)能力，可實(shí)現(xiàn)物料的均勻高效混合，因此許多在常規(guī)反應(yīng)器中無法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)都可在微反應(yīng)通道(微反應(yīng)器)中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)微反應(yīng)通道具有極高的安全性，可避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生，且在工業(yè)放大過程中無放大效應(yīng)。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。