[发明专利]一种高产率高质量石墨烯粉体的制备方法

说明书

本发明涉及一种高产率高质量石墨烯粉体的制备方法，包括如下步骤：在反应容器中加入金属催化剂，在常压、氮气环境氛围下，加热使金属催化剂熔融形成液态金属；加热液态含氧碳源至沸点以上形成液态含氧碳源蒸汽；从所述反应容器的上部通入气态碳源、所述液态含氧碳源蒸汽和氮气的混合气至所述液态金属中，在所述液态金属液面之下产生气泡并在气泡表面生长石墨烯，当气泡上升至液态金属液面之上后破裂，石墨烯呈粉体随气流排出，收集得到石墨烯粉体。本发明的方法获得石墨烯粉末的收率在90％以上、且缺陷较少I_D/I_G值小于0.1。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体涉及一种高产率高质量石墨烯粉体的制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化连接构成的具有六角形蜂巢状晶格结构的新型碳材料，具有许多优异的物理化学性能，因此具有广泛的应用潜力。

石墨烯粉体目前常用的制备方法有氧化-还原法、液相剥离法、CVD法，其中氧化-还原法虽然能够得到层数较少的石墨烯粉体，但是在制备过程中使用的大量强酸、强氧化剂不仅导致石墨烯大量缺陷，还会有大量含强酸、强氧化剂的废水排放严重污染环境；液相剥离虽然能较好保留石墨晶型结构，但是层数不可控，厚度较大。CVD(化学气相沉积)法是在液态金属中通过鼓气泡生长石墨烯粉体，层数可控、缺陷少、片径大、导电导热性能优异，因此这种方法被认为是制备高质量石墨烯最理想的途径。

中国专利201911346316.5公开了一种通过使含碳气体进入熔融态的金属催化剂基体中产生气泡，含碳气体与金属催化剂基体在气泡中反应生成石墨烯；当气泡破裂，石墨烯变成粉体漂浮在液态金属催化剂基体的表面，进而在气流的作用下，石墨烯粉体被吹至粉体收集装置中。虽然此方法能够得到质量较好的石墨烯，但是石墨烯粉体产率较低(≤25wt％)，如果要提高石墨烯产率，就需要在更高的温度下生长，而提高温度必然又会增加能耗。

发明内容

为了解决现有技术中石墨烯粉体产率较低的技术问题，而提供一种高产率高质量石墨烯粉体的制备方法。本发明方法生长的石墨烯产率高、质量高且能耗低。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种高产率高质量石墨烯粉体的制备方法，包括如下步骤：

在反应容器中加入金属催化剂，在常压、氮气环境氛围下，加热使金属催化剂熔融形成液态金属；

加热液态含氧碳源至沸点以上形成液态含氧碳源蒸汽；

从所述反应容器的上部通入气态碳源、所述液态含氧碳源蒸汽和氮气的混合气至所述液态金属中，在所述液态金属液面之下产生气泡并在气泡表面生长石墨烯，当气泡上升至液态金属液面之上后破裂，石墨烯呈粉体随气流排出，收集得到石墨烯粉体。

进一步地，所述金属催化剂为含铜金属，铜含量至少为90wt％，例如可以是纯铜、铜镍合金、铜铁合金、铜钴合金中的一种；

所述气态碳源为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、丁炔、天然气中的一种或多种；

所述液态含氧碳源为甲醇(沸点64.8℃)、乙醇(沸点78℃)、丙酮(沸点56.1℃)、碳酸二甲酯(沸点90℃)、乙酸乙酯(沸点77.2℃)中的一种。这些液态含氧碳源的裂解活化能较低，通常在较低温度下具有较高的活化能。

进一步地，所述液态含氧碳源加热温度为达到其沸点以上0.5-10℃。

进一步地，所述液态金属的温度为1100-1600℃，优选为1200-1300℃；所述液态金属占所述反应容器容积的至少60％。