[实用新型]石墨烯生长系统

说明书

本实用新型涉及一种石墨烯生长系统，包括催化剂的前驱体制备子系统、催化剂制备子系统、催化剂改性子系统、石墨烯生长子系统、物料收集子系统、储运子系统以及气源子系统，其中催化剂的前驱体制备子系统、催化剂制备子系统、催化剂改性子系统、石墨烯生长子系统以及物料收集子系统依次连接，储运子系统分别与催化剂改性子系统以及石墨烯生长子系统连接，气源子系统分别与催化剂制备子系统以及石墨烯生长子系统连接。本实用新型首创实现了通过化学气相沉积法进行高质量石墨烯粉体的规模化生产，能够实现石墨烯的可控生长。该系统安全可靠，同时能够有效解决化学沉积过程中产生的尾气排放问题，避免了反应后的残余气直接排入大气造成的污染。

技术领域

本实用新型涉及化工技术领域，具体涉及一种石墨烯生长系统。

背景技术

石墨烯(Graphene)，是一种由碳原子sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的新型碳纳米材料。石墨烯完美的晶体结构赋予其良好的电学、热学、光学以及力学等特性，使其在化工、储能、电子器件、复合材料、生物医药以及航空航天等领域均具有广泛的应用潜能。得益于石墨烯优异的物理化学特性，有关石墨烯的制备和应用得到了学术界和产业界的广泛研究和生产应用。

目前，石墨烯的制备方法可大致分为三大类：(1)第一类制备方法为：以石墨为主要原材料从上至下制备石墨烯，其原理为通过弱化石墨的层间作用力来剥离制备石墨烯，其规模化主要制备方法为化学氧化还原法和液相剥离法等方法；(2)第二类制备方法为：非主流方法，主要包括催化裂解法和二氧化碳化学转化法等方法；(3)第三类制备方法为：从下至上制备石墨烯，如化学气相沉积法通过碳原子在基底上有序排列生长来制备石墨烯。其中，第一类石墨烯制备方法在石墨烯的生产过程中工艺繁琐，污染严重，成本较高并且无法实现石墨烯粉体的可控制备。与此同时，所生产的二维片状石墨烯粉体在应用过程中存在无法克服的由二维石墨烯片层之间存在较强的范德华力而引发的不可逆团聚的问题，石墨烯粉体在应用过程中存在的团聚问题严重制约了石墨烯下游产业的发展。第二类石墨烯制备方法在生产过程中同样无法实现石墨烯粉体的可控制备。相比于第一类与第二类石墨烯的制备方法而言，化学气相沉积法能够实现石墨烯的可控制备，有望通过化学气相沉积法来实现高质量石墨烯粉体的低成本和规模化生产。

化学气相沉积法制备石墨烯的原理为：含碳(如：甲烷、乙烯等)有机物在催化剂(如：铜粉、镍粉等)催化作用下催化脱氢，脱氢后的碳原子或中间体在基底上规则排列生长出石墨烯。中国专利(公开号为：CN10926 4706A)公开了一种化学气相沉积法可控制备三维纳米多孔石墨烯粉体的方法，该方法将固体催化剂的前驱体进行高温活化处理，然后将催化剂进行高温包覆改性，将改性后的催化剂粉体进行化学气相沉积生长石墨烯，然后经酸洗、过滤、干燥，获得三维纳米多孔石墨烯粉体。该方法易于实现三维纳米多孔石墨烯粉体的规模化可控制备，但是缺少适合利用该方法进行连续性、规模化生长石墨烯的系统装置。中国专利(公开号为：CN204874732U以及CN105399082A)分别公开了一种快速冷却卷对卷等离子体增强CVD连续生长炉和制备石墨烯薄膜的化学气相沉积设备及方法，但上述仅适用于实验室，无法实现工业化生产。中国专利(公开号分别为：CN103668447A、CN107099782A、CN108689401A、 CN108046245A、CN108977794A、CN110359028A和CN209584367U)公开的化学气相沉积装置仅适用于基底上石墨烯薄膜的生长。中国专利(公开号为： CN205874533U)公开了一种CVD法制备石墨烯及纳米碳管真空气相沉积装置，但该装置只能间歇操作。中国专利(公开号为CN110240151A)公开了一种用于制备石墨烯的装置及其制备方法，该实用新型通过高温下将金属熔化，然后在金属熔液中通入碳源，含碳有机物在金属的催化作用下碳原子在气泡表面重新组装为石墨烯，但是该设备适用于以液体金属为催化剂来制备石墨烯。

综上，现有的生产装置均不能同时满足上述要求。因此，开发出一种具有连续性、规模化和安全可靠的通过化学气相沉积法来生长石墨烯的系统装置就显得非常重要，突破这一瓶颈对通过化学气相沉积法来规模化生产高质量的石墨烯粉体具有重要的现实意义。