[發(fā)明專利]一種利用磁旋轉(zhuǎn)電弧制備石墨烯的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811412266.1
• 申請(qǐng)日: 2018-11-25
• 公開（公告）號(hào): CN109534324A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王城;夏維東;孫路;夏維珞;宋宗徽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥碳藝科技有限公司
• 主分類號(hào): C01B32/184
• 分類號(hào): C01B32/184
• 代理公司: 北京力量專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11504
• 代理人: 毛雨田

本發(fā)明公開一種利用磁旋轉(zhuǎn)電弧制備石墨烯的方法，屬于碳納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，該方法以磁旋轉(zhuǎn)電弧作為反應(yīng)條件，烴類化合物作為原料。磁旋轉(zhuǎn)電弧在氬氣或氬氣與其他氣體的混合氣體氛圍中引燃，然后將一定摩爾流量的烴類化合物持續(xù)通入電弧區(qū)域，烴類化合物在電弧引發(fā)下反應(yīng)，生成石墨烯、烴類化合物、氫氣等產(chǎn)物，收集反應(yīng)后的固體產(chǎn)物即為石墨烯。經(jīng)透射電子顯微鏡表征，所制備的石墨烯層數(shù)在3?10之間，石墨烯片的大小在100?300nm之間。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)能耗低、產(chǎn)量大；2)制備的石墨烯純度高、晶型好、缺陷少；3)設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低，無需任何催化劑；4)反應(yīng)連續(xù)、易于操作，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用磁旋轉(zhuǎn)電弧制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種由碳原子經(jīng)sp²雜化構(gòu)成的二維蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米薄膜材料。獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)等性能。例如：(1)高比表面積(單層石墨烯的理論比表面積高達(dá)2600m²g^-1)；(2)導(dǎo)率高達(dá)5000Wm^-1K^-1，電子遷移率可達(dá)200000cm²V^-1s^-1；(3)高彈性模量(1100GPa)和斷裂強(qiáng)度(125GPa)；(4)高透光率：100-300nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透光率超過95％；(5)常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)?；谶@些優(yōu)異的性能，石墨烯具有廣泛的應(yīng)用前景，例如應(yīng)用于力學(xué)增強(qiáng)復(fù)合材料，納米電子器件，儲(chǔ)能材料，催化劑，光電子器件等多種領(lǐng)域。

高品質(zhì)石墨烯的生產(chǎn)成本昂貴是限制石墨烯大規(guī)模應(yīng)用主要因素。自2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Gein研究小組首次制備出穩(wěn)定的石墨烯以來，在最近的十幾年間，發(fā)展了包括機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、氣相化學(xué)沉積法、化學(xué)剝離法、電弧法等多種石墨烯制備方法。前三種方法是制備高質(zhì)量石墨烯的有效手段，但其高成本和低產(chǎn)量制約了這類方法在大規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域(例如復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料等)的發(fā)展?；瘜W(xué)剝離法可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本制備石墨烯，但這種方法不可避免地使石墨烯產(chǎn)生缺陷和表面官能團(tuán)，導(dǎo)致其部分物理、化學(xué)等性能損失；電弧法制備的石墨烯品質(zhì)高，但碳源來源于石墨電極蒸發(fā)，產(chǎn)率低、能耗大，且反應(yīng)往往在密閉環(huán)境中進(jìn)行，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。因此，開發(fā)一種大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量石墨烯的可控制備方法將會(huì)極大地促進(jìn)石墨烯的應(yīng)用。

近年來，加拿大麥吉爾大學(xué)(Carbon blacks produced by thermal plasma:theinfluence of the reactor geometry on the product morphology.Plasma ChemPlasma P.2010,30:267-279)和清華大學(xué)程易課題組(Preparation of few-layergraphene nanosheets by radio-frequency induction thermal plasma.Carbon,2015,86:38-45)報(bào)道了利用射頻等離子體處理甲烷制備石墨烯的方法，拓展了以烴類化合物為原料制備石墨烯的途徑。然而，射頻電源昂貴、電轉(zhuǎn)化效率低，且石墨烯會(huì)污染射頻等離子體炬，影響裝置連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

磁旋轉(zhuǎn)電弧是一種典型的非轉(zhuǎn)移弧，電弧在一對(duì)同軸電極間引燃，在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，電弧繞內(nèi)電極旋轉(zhuǎn)。相比與常規(guī)電弧，磁旋轉(zhuǎn)電弧具有更高的加熱效率和更大的加熱區(qū)域；相比于射頻等離子體，磁旋轉(zhuǎn)電弧設(shè)備造價(jià)低、電轉(zhuǎn)換效率高。因而磁旋轉(zhuǎn)電弧在化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如金剛石薄膜沉積、合成氣制取、及納米材料制備等。迄今為止，在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中均未發(fā)現(xiàn)利用磁旋轉(zhuǎn)電弧制備石墨烯的任何研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有石墨烯制備工藝的不足，本發(fā)明旨在提供一種制備石墨烯的方法，使得石墨烯制備操作方便、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)連續(xù)、成本低廉，且制備的石墨烯純度高，缺陷少，有利于實(shí)現(xiàn)低成本、高品質(zhì)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)。