[發明專利]連續制備薄層石墨烯或其與薄壁碳納米管雜化體的裝置及方法

無效

• 申請號: 201210230241.6
• 申請日: 2012-07-04
• 公開（公告）號: CN102730673A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 騫偉中;崔超婕;鄭超;余云濤;孔垂巖;魏飛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

技術領域

本發明屬于多相流反應器技術及碳納米材料制備領域，具體涉及一種制備薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體的裝置以及利用該裝置制備薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體的方法。

背景技術

薄層石墨烯（1-10層）或薄層石墨烯與薄壁碳納米管（1-3壁，直徑大多在0.6~4?nm之間，長度可達數百微米甚至數十厘米）的雜化體，具有良好的導電性、導熱性、機械性能和巨大的比表面積，可廣泛用于高分子的增強、導電材料、?場發射材料、?吸波或電磁屏蔽材料、催化劑載體、納米電路、電化學儲能等領域。典型的薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管的雜化體的制備方法為化學氣相沉積法，即用不含金屬的模板劑，或含金屬的催化劑，在400~1400℃下，通過碳源（如烴類，醇類，CO，醚類，或酮類等）的分解與沉積而得。

目前，制備薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體的過程主要在固定床反應器或氣固流動上行的流化床反應器中進行，由于模板劑或催化劑在反應器中停留時間過長，易產生多層石墨烯（>10層），直徑粗大的多壁碳納米管（壁數>5），以及無定形碳、碳包覆的金屬納米顆粒等雜質，因此產品的純化過程復雜，成本高昂。利用滾筒式的反應器可以沉積大面積的薄層石墨烯，但無法制備其與薄壁碳納米管的雜化體。同時大面積的薄層石墨烯主要用于納米電路或透明導電顯示等領域，但薄層石墨烯制備成本高昂，產量很小，不能滿足在這兩個領域的應用需求；而在電化學儲能與催化劑載體等方面的應用不便（容易堆疊，而導致比表面積降低）。制備薄壁碳納米管與薄層石墨烯，然后組裝成其雜化體，常常需要利用氧化石墨烯上的官能團進行有機組裝，但后續應用時需要除去這些官能團，純化成本高昂。由于技術上的缺陷與瓶頸，導致目前國際薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管的雜化體的絕對產量非常低，價格昂貴，嚴重地限制了其應用研究及商業化。

發明內容

為了克服上述缺點，本發明提出了一種制備薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體的裝置，該裝置的結構如下：

（1）一個下行床1：在下行床1的上部有下行床氣體-固體混合物的進口11；在下行床1的下部有下行床氣體-固體混合物的出口12；

（2）一個提升管2：在提升管2上部有提升管氣體-固體混合物的出口23；提升管2內側壁為構件區22；在提升管2底部有錐形結構25；提升管氣體進口21為沿提升管2底部除錐形結構25所占區域外的區域中的多個對稱的噴嘴；

（3）所述的下行床1套入所述的提升管2中；加熱系統24包裹在提升管2外面為提升管2和下行床1加熱；下行床氣體-固體混合物的出口12?與提升管2中的錐形結構25的上端相鄰；下行床1的截面積是提升管2截面積的1~10倍。

本發明提出的另一種制備薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體的裝置結構如下：

（1）一個下行床1：在下行床1的上部有下行床氣體-固體混合物的進口11；在下行床1的下部有設置在提升管氣體進口21一側的下行床氣體-固體混合物的出口12；

（2）一個提升管2：提升管2內側壁為構件區22；一個位于提升管2中部的垂直隔板26；所述的垂直隔板26將提升管2分隔為僅在頂部相通的體積相等的兩個區域；提升管氣體進口21為設置在垂直隔板26一側的多個噴嘴；提升管氣體-固體混合物的出口23為設置在垂直隔板26另一側的多個噴嘴；

（3）所述的下行床1套入所述的提升管2中；加熱系統24包裹在提升管2外面為提升管2和下行床1加熱；下行床1的截面積是提升管2截面積的1~10倍。

一種利用上述第一種制備薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體的裝置來制備薄層石墨烯或薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體的方法，包括如下步驟：

（1）開啟加熱系統24，將下行床1和提升管2加熱到300~1400℃，并保持加熱狀態；

（2）從下行床氣體-固體混合物的進口11通入反應氣體和模板劑，生長薄層石墨烯；或從下行床氣體-固體混合物的進口11通入反應氣體和催化劑，生長薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體；所生成的氣體和模板劑、薄層石墨烯或氣體和催化劑、薄層石墨烯與薄壁碳納米管雜化體一起從下行床氣體-固體混合物的出口12出來，進入提升管2的底部；