一种制备氧化石墨烯的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及氧化石墨烯制备领域，特别是一种制备氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：将石墨、酸和氧化剂加入到混料釜内，低温下混合后输入至第一管道反应器中，进行氧化反应；加入溶剂和还原剂混合均匀后，输入至第二管道反应器中，进行分散和还原反应，再经后处理得到氧化石墨烯。本发明专利技术通过管道控制物料的混合及反应方式，克服了传统的釜式反应器一锅煮的方式带来的缺陷，生产过程安全、高效，产品质量较为稳定，保证了反应过程中物料的连续化，物料混合均匀，氧化剂高锰酸钾的利用率较高，而且产物的氧化程度较高，有益于工业化生产。

Method and device for preparing graphene oxide

The present invention relates to a graphene oxide preparation field, in particular to a method for preparing graphene oxide, which comprises the following steps: graphite, acid and oxidizing agent is added to the mixing kettle, low temperature after mixing the input to the first pipe reactor, oxidation reaction; adding solvent and reducing agent are mixed evenly second, input to the pipe reactor, dispersion and reduction reaction, followed by postprocessing to obtain graphene oxide. Mixing and reaction mode of the invention to control the material through the pipeline, overcome the defects brought reactor pot of traditional methods, the production process is safe, efficient, stable product quality, ensure the continuous material in the reaction process, material mixing, using the oxidant Potassium Permanganate rate is higher, and the products high oxidation degree, is beneficial to industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种制备氧化石墨烯的方法及其装置
本专利技术涉及氧化石墨烯制备领域，特别是一种制备氧化石墨烯的方法及其装置。
技术介绍
石墨烯是一种由单层碳原子堆积而成的二维蜂窝状晶格结构新型碳材料。因其具有高比表面积(2600m2/g)、高热导率(4800～5300W/(m·K))和高电子迁移率(15000cm2/(V·s))等性能，在复合材料、储能材料和太阳能电池等领域有着广泛的应用。石墨烯的宏量制备是实现其诸多应用的前提。目前石墨烯的制备主要有以下方法：1)化学气相沉积法；2)微机械剥离石墨法；3)金属表面外延法；4)氧化还原法等。其中，氧化还原法是目前最为简便的方法，成本较低，能够实现大规模生产。因此，氧化石墨烯不仅是氧化还原法制备石墨烯的重要中间体，其自身所具有的特殊性质也使其在生物医学、改性聚合物材料等方面有着广泛的应用。由于石墨天然的惰性，其氧化过程必须在较为苛刻的化学环境中完成，主要包括以下四种方法：1)Brodie法：该法采用发烟硝酸和氯酸钾作为强酸和强氧化剂，需重复氧化步骤才能提高氧化程度，另外氯酸钾的使用也有一定的危险性；2)Staudenmaier法：该法利用浓硫酸和发烟硝酸组成的混酸体系进行反应，以氯酸钾为强氧化剂，氧化程度可由搅拌时间来控制，但该方法严重地破坏了氧化石墨烯的碳层，且氯酸钾的使用也具有一定的危险性；3)Hummers法：该法采用浓硫酸和硝酸钠体系，以高锰酸钾为强氧化剂，产物氧化程度高、结构规整且易于在水中溶胀而层离得到单层氧化石墨烯，但硝酸钠的使用会产生有毒的氮氧化物，污染环境；4)改进的Hummers法：Kovtyukhova课题组将石墨在过硫酸钾和五氧化二磷的浓硫酸溶液中进行预氧化，再用高锰酸钾进行氧化，反应过程使用硝酸钠，可避免氮氧化物的产生，产物氧化程度也较高，但产生的废酸较多，操作也较为繁琐。CN103382028A中公布了一种分别以浓硫酸和高锰酸钾为强酸和强氧化剂制备氧化石墨烯的方法，但浓硫酸和高锰酸钾混合后会产生高活性的七氧化二锰，在传统的釜式反应器中进行该类反应需严格控制反应温度，否则容易引起安全事故。另外，通过釜式反应制备氧化石墨烯还存在物料搅拌不均匀、高锰酸钾利用率不高、需控温防止冲料但过低的反应温度并不利于反应快速进行等缺点。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述技术问题的不足，提供了一种制备氧化石墨烯的方法，可以完全解决上述技术问题。解决上述技术问题的技术方案如下：一种制备氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：(1)将石墨、酸和氧化剂按比例加入到混料釜内，在低温下充分混合；(2)将上述混合物输入至第一管道反应器中，在一定温度下进行反应1～4h；(3)向步骤(2)所得的反应混合物中加入一定量的溶剂和还原剂混合均匀后，输入至第二管道反应器中，在一定温度下进行反应1～50h；(4)将步骤(3)的反应混合物经后处理得到氧化石墨烯。进一步地，步骤(1)中所述的石墨的粒径为200微米以下，所述的酸为硫酸、硝酸、磷酸或乙酸的一种或多种，所述的氧化剂为高锰酸钾、氯酸钾、过硫酸钾或过硼酸钠的一种或多种，所述的氧化剂的粒径为200微米以下，所述的石墨、酸和氧化剂的质量比为1：10～100：1～20，所述的低温为-15～10℃。进一步地，步骤(2)中所述的第一管道反应器的管道为盘管、连续S型管或者连续U型管，第一管道反应器的长径比为50～80，所述的温度为20～150℃。进一步地，步骤(3)中所述的还原剂为双氧水，所述的溶剂为水、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)中的一种或多种，所述的还原剂、溶剂与石墨的质量比为1～40：10～100：1，所述的第二管道反应器的管道为盘管、连续S型管或者连续U型管，第二管道反应器的长径比为50～80，所述的温度为20～200℃。更进一步地，步骤(4)中所述的后处理为过滤、离心、洗涤、超声、透析、冻干的一种或多种组合。同时，本专利技术还提供了一种实现上述制备方法的专用装置，包括混料釜、第一管道反应器、第二管道反应器、混料器、冷凝器和后处理系统，所述的混料釜的输出端和第一管道反应器的输入端通过第一导管连接，第一导管上设置有第四计量泵，所述的第一管道反应器的输出端与混料器的输入端通过第二导管连接，所述的混料器的输出端通过第三导管与第二管道反应器的输入端连接，所述的第二管道反应器的输出端与冷凝器的输入端通过第四导管连接，冷凝器的输出端与后处理系统连接。进一步地，所述的混料釜、第一管道反应器和第二管道反应器均带有控温夹套。进一步地，所述的混料釜的输入端还与设置在混料釜的上游端的第一固体加料器和第二固体加料器相连，所述的混料釜的上游端还设置有第一贮存器，所述的第一贮存器与混料釜相连接的导管上依次设置有第一截止阀和第一计量泵。进一步地，所述的混料器的输入端还分别与第二贮存器和第三贮存器相连，所述的第二贮存器和第三贮存器与混料器相连接的导管上分别依次设置有第二截止阀和第二计量泵，第三截止阀和第三计量泵。更进一步地，所述的后处理系统包括过滤系统、离心系统、洗涤系统、超声系统、透析系统或者冻干系统中的任意一种或几种。本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过管道控制物料的混合及反应方式，克服了传统的釜式反应器一锅煮的方式带来的缺陷，生产过程安全、高效，产品质量较为稳定，保证了反应过程中物料的连续化，物料混合均匀，氧化剂高锰酸钾的利用率较高，而且产物的氧化程度较高，有益于工业化生产。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术装置的结构示意图；图2为实施例1制备的氧化石墨烯的扫描电镜SEM图片；图3为实施例1制备的氧化石墨烯的元素分析EDAX图谱；图中，1为第一固体加料器，2为第二固体加料器，3为第一贮存器，4为第二贮存器，5为第三贮存器，6为第一截止阀，7为第二截止阀，8为第三截止阀，9为第一计量泵，10为第二计量泵，11为第三计量泵，12为第四计量泵，13为混料器，14为混料釜，15为第一管道反应器，16为第二管道反应器，17为混料釜控温夹套，18为第一管道反应器控温夹套，19为第二管道反应器控温夹套，20为冷凝器，21为第一导管，22为第二导管，23为第三导管，24为第四导管。具体实施方式实施例1：一种制备氧化石墨烯的专用装置(如图1所示)，包括混料釜14、第一管道反应器15、第二管道反应器16、混料器13、冷凝器20和后处理系统，所述的混料釜14的输出端和第一管道反应器15的输入端通过第一导管21连接，第一导管21上设置有第四计量泵12，所述的第一管道反应器15的输出端与混料器13的输入端通过第二导管22连接，所述的混料器13的输出端通过第三导管23与第二管道反应器16的输入端连接，所述的第二管道反应器16的输出端与冷凝器20的输入端通过第四导管24连接，冷凝器20的输出端与后处理系统连接。其中，第一管道反应器15的管长为30m，管道直径为6mm；第二管道反应器16的管长为30m，管道直径为8mm。第一管道反应器15和第二管道反应器16的管道均为盘管。混料釜14的釜体外部设置有混料釜控温夹套17、第一管道反应器15的外部设置有第一管道反应器控温夹套18，第二管道反应器16设置有第二管道反应器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨、酸和氧化剂按比例加入到混料釜内，在低温下充分混合；(2)将上述混合物输入至第一管道反应器中，在一定温度下进行反应1～4h；(3)向步骤(2)所得的反应混合物中加入一定量的溶剂和还原剂混合均匀后，输入至第二管道反应器中，在一定温度下进行反应1～50h；(4)将步骤(3)的反应混合物经后处理得到氧化石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨、酸和氧化剂按比例加入到混料釜内，在低温下充分混合；(2)将上述混合物输入至第一管道反应器中，在一定温度下进行反应1～4h；(3)向步骤(2)所得的反应混合物中加入一定量的溶剂和还原剂混合均匀后，输入至第二管道反应器中，在一定温度下进行反应1～50h；(4)将步骤(3)的反应混合物经后处理得到氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的石墨的粒径为200微米以下，所述的酸为硫酸、硝酸、磷酸或乙酸的一种或多种，所述的氧化剂为高锰酸钾、氯酸钾、过硫酸钾或过硼酸钠的一种或多种，所述的氧化剂的粒径为200微米以下，所述的石墨、酸和氧化剂的质量比为1：10～100：1～20，所述的低温为-15～10℃。3.根据权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的第一管道反应器的管道为盘管、连续S型管或者连续U型管，第一管道反应器的长径比为50～80，所述的温度为20～150℃。4.根据权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的还原剂为双氧水，所述的溶剂为水、乙二醇、DMF、NMP、THF中的一种或多种，所述的还原剂、溶剂与石墨的质量比为1～40：10～100：1，所述的第二管道反应器的管道为盘管、连续S型管或者连续U型管，第二管道反应器的长径比为50～80，所述的温度为20～200℃。5.根据权利要求1所述的制备氧化石...

【专利技术属性】
技术研发人员：史界平，朱向东，孙天生，崔晶，
申请(专利权)人：江南石墨烯研究院，常州隆发电气科技有限公司，江苏天普碳材料科技有限公司，常州烯源纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32