一种连续放量制备粉体石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种连续放量制备粉体石墨烯的方法，包括：S1，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体；S2，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长；S3，停止通入碳源，并通入刻蚀剂刻蚀所述微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯；以及S4，重复步骤S1‑S3，以实现粉体石墨烯的连续放量制备。本发明专利技术的方法可实现粉体石墨烯的长时间不间断制备，获得的粉体石墨烯品质高，纯度高，含氧量低，且为100％的尺寸在300nm以下的片层石墨烯，有利于石墨烯片的连续化和批量化制备，具有极大的应用前景。

A method of continuous mass production of graphene powder

The invention provides a method for continuously and quantitatively preparing graphene powder, which includes: S1, introducing inert gas into the microwave plasma chemical vapor deposition system to generate plasma; S2, introducing carbon source into the microwave plasma chemical vapor deposition system to grow graphene powder vapor; S3, stopping introducing carbon source, and introducing an etchant to etch the microwave plasma The residual graphene in the CVD system; and S4, repeat step S1 \u2011 S3 to realize the continuous preparation of graphene powder. The method of the invention can realize the continuous preparation of graphene powder for a long time, and the obtained graphene powder with high quality, high purity, low oxygen content and 100% size of graphene flake below 300nm is favorable for the continuous and batch preparation of graphene flakes, and has a great application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种连续放量制备粉体石墨烯的方法
本专利技术涉及碳材料领域，特别涉及一种连续放量制备粉体石墨烯的方法。
技术介绍
2004年，Geim教授和Novoselov博士通过胶带剥离法制备出了单层石墨烯(K.S.Novoselov,etal.Science2004,306,666)，二人也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖，自此引发了人们极大的研究热潮。石墨烯的性质优异，拥有极大的比表面积，极高的杨氏模量和电子迁移率以及最高的热导率等，使得其在传感器、催化、能源等领域具有极大的应用前景。石墨烯的制备主要有自下而上的生长，以及自上而下的剥离两种方法。以化学气相沉积法为代表的自下而上的生长方法，可以实现石墨烯薄膜的卷对卷生长，可获得近30英寸的石墨烯薄膜(B.H.Hong,etal.Nat.Nanotech.2010,5,574)，但是昂贵的金属催化剂以及高耗能体系的应用难免限制石墨烯薄膜的量化制备。以Hummers方法(W.S.Hummers,etal.J.Am.Chem.Soc.1958,80,1339)为代表的自上而下的剥离方法在现阶段可以实现成百上吨级石墨烯粉体的制备，但是伴随而来的是石墨烯品质较差，含氧量较高，并且后处理复杂以及污染严重等问题。因此，如何低成本地大量制备高品质石墨烯就目前而言仍然是巨大的挑战。特别地，在大量制备石墨烯粉体的过程中，如何实现其连续化制备则摆在更为突出的位置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可实现粉体石墨烯的连续放量制备的方法，得到高品质的粉体石墨烯。为实现上述目的，本专利技术所采用的方案为：一种连续放量制备粉体石墨烯的方法，包括以下步骤：S1，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体；S2，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长；S3，停止通入碳源，并通入刻蚀剂刻蚀所述微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯；以及S4，重复步骤S1-S3，以实现粉体石墨烯的连续放量制备。在一些实施例中，所述微波等离子体化学气相沉积系统包括高压电源、磁头、环形器、调解器、微波反应腔以及短路器。在一些实施例中，所述微波等离子体化学气相沉积系统为常压微波等离子体化学气相沉积系统或低压微波等离子体化学气相沉积系统。在一些实施例中，所述惰性气体选自氩气、氪气和氙气中的一种或多种。在一些实施例中，所述碳源选自烃、醇、醚、酮和酚中的一种或多种。在一些实施例中，所述刻蚀剂选自氧气、水蒸气、二氧化碳和空气中的一种或多种。在一些实施例中，当所述刻蚀剂为氧气、二氧化碳或空气时，所述刻蚀剂采用直接引入的方式通入；当所述刻蚀剂为水蒸气时，所述刻蚀剂采用氩气吹拂引入的方式通入。在一些实施例中，步骤S3中还包括使用原位光学发射光谱或者原位气相色谱监测刻蚀终点。本专利技术的方法可实现粉体石墨烯的长时间不间断制备，获得的粉体石墨烯品质高，纯度高，含氧量低，且为100％的尺寸在300nm以下的片层石墨烯，有利于石墨烯片的连续化和批量化制备，具有极大的应用前景。附图说明通过参照附图详细描述其示例实施方式，本专利技术的上述和其它特征及优点将变得更加明显。图1是本专利技术所采用的微波等离子体化学气相沉积系统的结构示意图。图2A是本专利技术实施例1(线1)、实施例3(线2)制得粉体石墨烯的拉曼图谱；图2B是本专利技术实施例1制得粉体石墨烯的热重曲线；图2C是本专利技术实施例1制得粉体石墨烯的XPS图；图2D是本专利技术实施例1制得粉体石墨烯的TEM图；图2E是本专利技术实施例1制得粉体石墨烯的BET图；图2F是本专利技术实施例1中C2自由基的浓度随时间变化曲线图；图2G是本专利技术实施例1中刻蚀时间随氧气浓度变化曲线图；图3A是本专利技术实施例3制得粉体石墨烯的热重曲线；图3B是本专利技术实施例3制得粉体石墨烯的XPS图；其中，附图标记说明如下：1：短路器2：微波反应腔3：石英管4：调节器5：环形器6：磁头7：高压电源具体实施方式下面根据具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明。本专利技术的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本专利技术。本专利技术提供的粉体石墨烯连续放量制备方法，是通过微波等离子体化学气相沉积系统来实现的，包括以下步骤：S1，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体；S2，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长；S3，停止通入碳源，并通入刻蚀剂刻蚀微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯；以及S4，重复步骤S1-S3，以实现粉体石墨烯的连续放量制备。图1是本专利技术所采用的微波等离子体化学气相沉积系统的结构示意图，如图1所示，微波等离子体化学气相沉积系统包括短路器1、微波反应腔2、调解器4、环形器5、磁头6、以及高压电源7。短路器1和调节器4设置在微波反应腔2的两侧，微波反应腔2中设有石英管3并且通过调节器4和环形器5与磁头6相连，磁头6由高压电源7提供电力。本专利技术所用的微波等离子体化学气相沉积系统可为常压微波等离子体化学气相沉积系统或低压微波等离子体化学气相沉积系统，可实现在常压或者低压状态下等离子体的持续产生。本专利技术的方法中用于产生等离子体的惰性气体选自氩气、氪气和氙气中的一种或多种，碳源选自烃、醇、醚、酮和酚中的一种或多种，其中惰性气体流量为(1.2SLM～20SLM，SLM，标况升每分钟)碳源气体流量2～100sccm(sccm，标况毫升每分钟)，其中碳源的浓度影响体系的放电稳定状态，也影响石墨烯的品质以及形貌，同时影响石墨烯的产生速率。粉体石墨烯的气相生长过程中，微波等离子体化学气相沉积系统的微波功率可调节，变化范围为200W～2000W，例如为700W或1000W，微波的功率影响石墨烯的品质与形貌，同时也影响碳源的裂解程度及碳源转化成石墨烯的转化率。在微波等离子体化学气相沉积系统中，惰性气体可直接在常压或低压状态下于微波反应腔中进行电离产生等离子体，产生的等离子体以及高温会促进碳源的裂解以及石墨烯的形成。反应过程不借由任意催化剂或者基底，石墨烯直接在气相中产生，并随气流飘离出体系后进行收集。气相生长持续一段时间后，部分石墨烯会粘连在管壁，位于石英管3在反应腔2部分残留的石墨烯影响微波反应腔中微波分布，进而影响反应的持续性进行，因此可通过“脉冲刻蚀法”可实现反应的连续性进行，即采用气相生长-刻蚀-气相生长-刻蚀的循环方式实现连续制备。本专利技术是在粉体石墨烯的气相生长持续的过程中间歇性地停止通入碳源，并在此期间通入刻蚀剂刻蚀微波腔中残留在微波等离子体化学气相沉积系统中的石墨烯，残留的石墨烯通常位于石英管3的管壁上。本专利技术的方法中所用的刻蚀剂选自氧气、水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续放量制备粉体石墨烯的方法，包括以下步骤：/nS1，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体；/nS2，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长；/nS3，停止通入碳源，并通入刻蚀剂刻蚀所述微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯；以及/nS4，重复步骤S1-S3，以实现粉体石墨烯的连续放量制备。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续放量制备粉体石墨烯的方法，包括以下步骤：
S1，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体；
S2，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长；
S3，停止通入碳源，并通入刻蚀剂刻蚀所述微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯；以及
S4，重复步骤S1-S3，以实现粉体石墨烯的连续放量制备。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波等离子体化学气相沉积系统包括高压电源、磁头、环形器、调解器、微波反应腔以及短路器。


3.根据权利要求2所述的方法，其中所述微波等离子体化学气相沉积系统为常压微波等离子体化学气相沉积系统或低压微波等离子体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦，孙阳勇，刘海舟，高振飞，许世臣，
申请(专利权)人：北京石墨烯研究院，北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11