[發明專利]一種微流控制備氧化石墨烯的設備

在審

• 申請號: 202110182878.1
• 申請日: 2021-02-10
• 公開（公告）號: CN112774596A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 朱彥武;鄭雅軒;葉傳仁;袁宏;唐潤理;瞿研
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學先進技術研究院;常州第六元素材料科技股份有限公司
• 主分類號: B01J19/00
• 分類號: B01J19/00;C01B32/198
• 代理公司: 北京世衡知識產權代理事務所(普通合伙) 11686
• 代理人: 肖淑芳

本發明公開了一種微流控制備氧化石墨烯的設備，包括：第一原料罐、第二原料罐、微混合器、微通道反應器、分離裝置、氧化石墨烯收集裝置、酸液收集裝置和純化裝置；其中，所述第一原料罐和第二原料罐分別與微混合器的進料口連接，所述微混合器的出料口與所述微通道反應器的進料口連接，所述微通道反應器的出料口與分離裝置，所述氧化石墨烯收集裝置和所述酸液收集裝置分別與分離裝置連接，所述純化裝置與氧化石墨烯收集裝置連接。

技術領域

本發明涉及氧化石墨烯制備領域，具體涉及到利用微流控技術制備氧化石墨烯的設備。

背景技術

石墨烯作為由碳六元環周期性重復排列形成的單原子層二維材料，自問世以來因其優異的電學、熱學、力學性質備受關注，被認為是極具潛力的功能材料和結構材料。而發展石墨烯在能源、環境、生物醫藥、電子器件等重要領域應用的當務之急是解決石墨烯的高效制備問題，還原氧化石墨烯法被認為是最易放大實現規模化生產石墨烯的方法之一，通過在石墨片層上化學修飾大量含氧官能團，削弱層間范德華作用，剝離并還原恢復得到單原子層石墨烯。

制備氧化石墨烯(GO)歷史悠久，1859年Bode混合石墨與氯酸鉀并加入發煙硝酸制備了氧化石墨，1898年，Staudenmaier改進了Bode法，分批加入氯酸鉀并且加入濃硫酸以提高酸濃度。但Bode法和Staudenmaier法都存在反應時間漫長，氯酸鉀極易爆炸且產生有毒氣體等問題，大大限制了它們的廣泛應用，直到1958年，Hummer等利用濃硫酸代替發煙硝酸，加入NaNO₃和KMnO₄作為氧化劑，能夠在2h獲得與Staudenmaier法氧化程度相近的氧化石墨。但傳統的Hummers法生產過程中產生NO等毒氣，在本世紀初許多研究者對Hummers法做了大量改進，包括通過預氧化步驟或引入H₃PO₄來替代作用暫不明確的NaNO₃以減少毒氣產生。但是，已報道的改進Hummers法仍存在許多問題：一、石墨氧化速率受活性物質在預插層石墨層間緩慢擴散制約，反應時耗長；二、反應過程放熱量高，氧化劑Mn₂O₇在高溫下有爆炸風險，反應安全隱患大；三、間歇式工藝步驟繁多，產品質量難以精確控制。

現有報道采用更強氧化劑等來快速制備氧化石墨烯，發明專利“CN104310385A一種快速綠色制備單層氧化石墨烯的方法”通過使用高鐵酸鉀作為氧化劑，在-10-80℃下反應0.5-24h，雖然反應時間可以縮短至0.5h，但使用了更多的強氧化劑導致更嚴重的環境問題。發明專利“CN106882803A一種制備氧化石墨烯的方法及其裝置”使用多級管道反應器，分別進行混料、氧化和還原，加強了反應控制并實現連續化生產，但仍采用常規管道，其中氧化步驟耗時仍達1-4h。

微通道反應器將反應器尺寸縮小到微米范圍，縮短傳質路徑并提高比表面積，顯著強化了反應過程傳質及傳熱。單個微反應器持液量約幾毫升，遠低于傳統釜式反應器，尤其適用于高溫高壓及強放熱體系。采用微通道反應器代替傳統反應釜能夠有效解決現階段Hummers法制備氧化石墨烯的問題。發明專利“CN102471068B納米尺寸的石墨烯類材料的制造方法及其制造設備”初次引入微通道設備制備氧化石墨烯并在立式流床爐內剝離還原，實現了石墨烯的連續化生產，但沒有實現氧化石墨烯的氧化程度可控制備，另外氧化石墨的產率也沒有說明。除此之外，該專利的微反應器內插層反應及氧化反應同時進行，難以單獨實現對氧化反應的有效調控。且淬滅步驟在微反應器中進行，淬滅步驟涉及淬滅劑(如H₂O₂)與未反應氧化劑的反應，會產生大量氣體，在微通道內進行易引起阻礙反應進程及堵塞問題。因此，一種高效、安全、精細可控的微流控制備氧化石墨烯技術急待發展。

背景技術部分的內容僅僅是發明人所知曉的技術，并不當然代表本領域的現有技術。

發明內容