一種等離子化學氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種納米石墨稀粉體的制備方法，具體地說是一種等離子化學氣相合 成法制備納米石墨烯粉體的方法，該方法制備的石墨烯層數少（2-10層），結構完整，單層 片徑大，含氧量低、不含硫、金屬雜質含量低，并可實現連續化產業化生產，屬于化工技術領 域。 二、
【背景技術】
[0002] 石墨稀（Graphene)是一種由單層碳原子構成的二維材料，自從2004年被發現以 來，不斷向世人展現出它優異的性能。石墨烯因其出色的透光率，巨大的導熱系數，極低的 電阻率而備受親睞，被譽為引發產業革命的下一代材料。目前，制備石墨烯的主要方法有： 機械剝離法、溶劑剝離法、化學氣相沉積法、晶體外延生長法、氧化還原法等等。其中，前兩 種剝離法生產效率低；化學氣相沉積法和晶體外延生長法成本高、操作復雜且無法生產大 面積石墨烯；而氧化還原法雖成本底、工藝簡單，但制備出的石墨烯結構缺陷較大且雜質含 量較多。因此，開發出一種新的石墨烯生產工藝勢在必行。 三、
【發明內容】
[0003] 本發明旨在提供一種等離子化學氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法，通過等 離子化學氣相合成法制備出層數少、結構完整、含氧量低、不含硫、可大規模產業化生產的 石墨烯。與現有技術中將石墨粉末經化學氧化及剝離而制備出的氧化石墨烯相比，其共軛 網絡無嚴重的官能化，不需要經過還原處理以及其他的化學修飾，得到的石墨烯產物的完 整性及導電力遠遠超過氧化石墨烯。
[0004] 本發明等離子化學氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法如下：
[0005] 以甲烷作為原料，通入頂吹氮氣，甲烷在等離子弧的電離作用下電離為碳離子和 氫離子，其中碳離子在反應器內重新呈網絡狀排布從而生成結構完整的石墨烯粉體，氫離 子結合為氫氣排出，通過氣體流量計計算反應完全，石墨烯粉體經過氣流引導進入收粉器 中。整個生產過程中不需添加任何催化劑、還原劑。
[0006] 反應過程中，甲燒的分壓為0. 8-0. 9MPa，流速為8m3 · IT1;氮氣的分壓為 0· 5-0. 6MPa，流速為 Ilm3 · IT1。
[0007] 等離子發生器以氮氣為工作介質；等離子發生器的工作電壓280-300V，直流電流 190-200A ;等離子弧溫度可達到3000°C，輸出功率可達150kw。
[0008] 反應方程式為：
[0009] CH4- C+2H 2
[0010] 具體反應過程如下：
[0011] 1、對甲烷進行除雜處理，使其純度達到98%以上從而保證石墨烯的純度；
[0012] 2、接通等離子發生器電源，等離子發生器的工作電壓280-300V、負載電流 190-200A，反應室內在等離子發生器正極4和等離子發生器負極5的電離作用下開始產生 等離子弧。
[0013] 3、打開頂吹氮氣輸料管2,氮氣分壓設定為0. 5-0. 6MPa。
[0014] 4、將等離子弧溫度升至3000 °C，此時反應爐內溫度達到900 °C。
[0015] 5、打開甲烷輸料管1，甲烷分壓設為0. 8-0. 9MPa，使甲烷氣體進入反應爐3,甲烷 開始電離為碳原子與氫原子并重新排列。
[0016] 6、10分鐘后關閉等離子發生器電源，并將反應爐冷卻至室溫。
[0017] 7、關閉甲烷輸料管1與頂吹氮氣輸料管2。
[0018] 8、在引風裝置7的作用下，粉體由出料管6經過重力沉降除雜處理后到達收粉器 8,待其完全冷卻后即可得到石墨烯粉體。
[0019] 本發明制備的石墨烯具有以下優點：
[0020] 1、單層片徑大：由電鏡照片可以直觀看出，由等離子氣相化學合成法生產的石墨 烯不僅層數少，而且片徑大，通用性極好。
[0021] 2,純度高：由于整個合成過程中不添加任何催化劑，因此其純度高，雜質含量少。
[0022] 3、層數少：石墨烯的高分辨透射電鏡（HRTEM)照片顯示該石墨烯為少層結構 (2-10 層）。
[0023] 4、結構完整：經過濾波處理的石墨烯高角環形暗場像（HAADF)，顯示該石墨烯結 晶良好。
[0024] 5、成本低：以甲烷為原料，以等離子氣相化學合成為合成方法大大降低了生產成 本，已達到2kg/h的單線生產能力， 四、
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明制備的石墨烯的透射電子顯微鏡（TEM)照片，顯示該石墨烯略有褶 皺，分散良好。
[0026] 圖2是本發明制備的石墨烯的高分辨透射電鏡（HRTEM)照片，從圖中可看出，石墨 烯具有較好的分層，通過測試結果得知，石墨烯片層為少層結構，有較大的片徑結構。
[0027] 圖3是經過濾波處理的石墨烯的高角環形暗場像（HAADF)，顯示該石墨烯結晶良 好。
[0028] 圖4是石墨烯的XRD圖，可以看出其波峰非常集中突出。
[0029] 圖5是本發明制備的石墨烯的選區電子衍射（SAED)照片，顯示了石墨和石墨烯的 衍射環。
[0030] 圖6是石墨烯的元素檢測報告，可見其中元素含量極少。
[0031] 圖7是本發明制備的石墨烯的拉曼譜圖。
[0032] 圖8是本發明制備石墨烯的反應裝置。其中，1甲烷輸料管，2頂吹氮氣輸料管，3 反應爐，4等離子發生器正極，5等離子發生器負極，6出料管，7引風裝置，8收粉器。甲烷輸 料管1與液態甲烷罐連接，頂吹氮氣輸料管2與液氮罐連接。 五、
【具體實施方式】
[0033] 以下結合附圖對本發明的技術方案進行說明，應當了解，此處所描述的實施例僅 用于說明和解釋本發明，并不限定本發明。
[0034] 實施例1 :
[0035] 1、對甲烷進行除雜處理，使其純度達到98%以上從而保證石墨烯的純度；
[0036] 2、接通等離子發生器電源，等離子發生器的工作電壓280V、負載電流190A，反應 室內在等離子發生器正極4和等離子發生器負極5的電離作用下開始產生等離子弧。
[0037] 3、打開頂吹氮氣輸料管2,氮氣分壓設定為0. 5MPa。
[0038] 4、將等離子弧溫度升至3000°C，此時反應爐內溫度達到900°C。
[0039] 5、打開甲烷輸料管1，甲烷分壓設為0. 8MPa，使甲烷氣體進入反應爐3,甲烷開始 電離為碳原子與氫原子并重新排列。
[0040] 6、10分鐘后關閉等離子發生器電源，并將反應爐冷卻至室溫。
[0041] 7、關閉甲烷輸料管1與頂吹氮氣輸料管2。
[0042] 8、在引風裝置7的作用下，粉體由出料管6經過重力沉降除雜處理后到達收粉器 8,待其完全冷卻后即可得到石墨烯粉體。
[0043] 實施例2 :
[0044] 1、對甲烷進行除雜處理，使其純度達到98%以上從而保證石墨烯的純度；
[0045] 2、接通等離子發生器電源，等離子發生器的工作電壓300V、負載電流200A，反應 室內在等離子發生器正極4和等離子發生器負極5的電離作用下開始產生等離子弧。
[0046] 3、打開頂吹氮氣輸料管2,氮氣分壓設定為0. 6MPa。
[0047] 4、將等離子弧溫度升至3000°C，此時反應爐內溫度達到900°C。
[0048] 5、打開甲烷輸料管1，甲烷分壓設為0. 9MPa，使甲烷氣體進入反應爐3,甲烷開始 電離為碳原子與氫原子并重新排列。
[0049] 6、10分鐘后關閉等離子發生器電源，并將反應爐冷卻至室溫。
[0050] 7、關閉甲烷輸料管1與頂吹氮氣輸料管2。
[0051] 8、在引風裝置7的作用下，粉體由出料管6經過重力沉降除雜處理后到達收粉器 8,待其完全冷卻后即可得到石墨烯粉體。
[0052] 表1實施例1制備得到的石墨烯的性能檢測數據
[0053]
[0054] 由表1可見，氣相合成的石墨烯的純度非常高，相對現在市面上流行的氧化法合 成的石墨烯，其氧含量及硫含量要小很多，且結構完整性、比表面積等也得到很大的改善。
[0055] 需要注意的是，以上所舉的是本發明具體實施的例子。而本發明在原料的選擇以 及等離子體工質的選擇上可以有許多變形。本領域的技術人員從本發明中所導出或發展的 變形，均在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種等離子化學氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法，其特征在于： 以甲烷為原料，以氮氣為工作介質，甲烷在等離子弧的電離作用下電離為碳離子和氫 離子，其中碳離子在反應器內重新呈網絡狀排布從而生成結構完整的石墨烯粉體，氫離子 結合為氫氣排出，石墨烯粉體經過氣流引導進入收粉器中。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于： 反應過程中，甲烷的分壓為0. 8-0. 9MPa，氮氣的分壓為0. 5-0. 6MPa。3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于： 反應過程中，甲燒的流速為8m3 ? IT1，氮氣的流速為Ilm3 ? IT1。4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于： 等離子發生器的工作電壓280-300V，直流電流190-200A。5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于： 反應過程中等離子弧溫度設置為3000°C。
【專利摘要】本發明公開了一種等離子化學氣相合成法制備納米石墨烯粉體的方法，是以甲烷為原料，以氮氣為工作介質，甲烷在等離子弧的電離作用下電離為碳離子和氫離子，其中碳離子在反應器內重新呈網絡狀排布從而生成結構完整的石墨烯粉體，氫離子結合為氫氣排出，石墨烯粉體經過氣流引導進入收粉器中。本發明方法制備的石墨烯層數少(2-10層)，結構完整，單層片徑大，含氧量低、不含硫、金屬雜質含量低，并可實現連續化產業化生產。
【IPC分類】B82Y30/00, C01B31/04
【公開號】CN104961127
【申請號】CN201510443982
【發明人】張芬紅
【申請人】合肥開爾納米能源科技股份有限公司
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年7月23日