[发明专利]一种基于爆轰工艺制备石墨烯的方法及制备石墨烯的装置

说明书

本发明公开了一种基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法及制得大尺寸石墨烯的装置，该方法是以气态碳氢化合物为碳源，混合一定比例的氧气，一起充填在密闭爆轰专用装置中，同时添加适量的固态金属或非金属化合物作为催化剂，将混合气体预热至一定温度和压力，经高能点火装置点火引爆，碳氢化合物在高温高压作用下分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯，氧组份和氢组份结合形成水蒸气。本发明所用原料价格低廉，制成的石墨烯无表面功能团、层数和面积可控，石墨烯收得率高达30％～60％，极其适合于工业化规模生产与应用。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备，更特别地说，是指一种基于爆轰技术制备大尺寸石墨烯的方法及装置。

背景技术

近年来，石墨烯材料一直是科技创新的前沿领域。因其出色的导电性能、超高的电子迁移率及比表面积、高导热、高透光、高断裂强度及良好的化学稳定性等优势，被誉为21世纪的神奇材料，在众多技术领域的应用前景极为广阔。

目前，石墨烯的主要制备方法有：机械剥离法、化学剥离法、氧化还原法、SiC外延法、化学气相沉积法等。机械剥离法简单易操作，所制备的石墨烯质量高，但此方法制得的石墨烯通常面积较小且效率极低。化学剥离法制备石墨烯过程存在不可控性，制备过程中强酸、强碱等物质的加入破坏了石墨烯sp2结构。氧化还原法制备石墨烯成本较低，但其制备的石墨烯缺陷很多，严重影响其性能。SiC外延法可以制备较大面积单层石墨烯，但制备工艺条件严苛、设备复杂以及单晶SiC基底较为昂贵等因素限制了该种方法的工业化推广。化学气相沉积法具有制备的石墨烯薄膜质量高、层数可控、尺寸大等优点，但其高成本问题仍然制约着石墨烯材料的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种石墨烯的制备方法及设备，制备过程是以气态碳氢化合物为碳源，混合一定比例的氧气，同时添加适量的固态金属或非金属化合物作为催化剂，在适当压力和温度下经高能点火装置点火引爆，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯。本发明方法制备过程快速完成，不涉及任何氧化反应，制备得到的石墨烯sp2晶面结构完整，且制备工艺简单、成本低廉，制备装备可模块化扩展，适用于石墨烯的工业化规模生产。

本发明的一种基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，包括有气源准备、抽真空、气源填充、气源加热、爆轰自组装制石墨烯的工业化生产步骤；

其特征在于：在抽真空之前有催化剂准备步骤；在爆轰自组装制石墨烯之后有泄压收料剔除催化剂步骤；

所述催化剂准备步骤是指催化剂选取和催化剂加装；

采用筛分法或者磁选分离法剔除经爆轰自组装制石墨烯步骤后制得的石墨烯混合粉体中的催化剂。

本发明的一种基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一，气源准备；

选用气态碳氢化合物作为碳源，选用氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门(1)和氧气阀门(2)；调节碳源气体流量计(3)的流速和氧气流量计(4)的流速；

关闭料阀门(6)；

通过第一气压表(15)监测混料室(5)的气压不低于1MPa；

控制碳源气体中的氢组分与氧气的摩尔体积比为2:1～5:1的比例流入混料室(5)中；

步骤二，催化剂加装；

开启爆轰合成室(7)的顶盖，选取固态金属或非金属化合物作为催化剂(8)并均匀撒放在爆轰合成室(7)的底部，合闭并锁紧爆轰合成室(7)的顶盖；

催化剂(8)的用量为均匀铺满爆轰合成室(7)的底部，且厚度为0.3～15mm；

步骤三，爆轰合成室排空；