一种连续化合成掺杂石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种连续化合成掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：1)在特制的石墨烯反应器中，将催化剂加热熔融；2)向反应器中连续通入含碳气体和掺杂气体，在催化剂作用下形成碳六环结构石墨烯，掺杂原子取代碳六环中的一个碳原子，形成掺杂石墨烯，3)掺杂石墨烯随尾气吹出反应器，经收集、酸洗去除夹带催化剂，水洗干燥后制得掺杂石墨烯成品。4)尾气经压缩机压缩后部分循环使用。本发明专利技术实现高品质掺杂石墨烯连续化生产，大大提高生产效率。掺杂氮呈负电荷、掺杂硼呈正电荷，通过掺杂打开石墨烯电子能带隙，提高电子载流能力，是很好的锂电池正负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种连续化合成掺杂石墨烯的方法
本专利技术涉及材料制备
，尤其涉及一种连续化合成掺杂石墨烯的方法。
技术介绍
CVD气相沉积法是目前生产高品质石墨烯的最佳方法，其通过封闭环境下在高温铜箔上通入含碳气体，高温分解碳原子在铜箔表面有序排列生成石墨烯，其生产的石墨烯品质高，但存在着效率低、成本高、无法规模化生产等缺点。目前规模化生产方法为氧化还原法，存在着成本高、污染大，产品缺陷多等问题，限制了石墨烯产业发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供一种高品质连续生产、高产量连续化合成掺杂石墨烯的方法。本专利技术的一种连续化合成掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将催化剂置于反应器中，氮气置换并保持反应器内为0.1-1Mpa；2)按1000-1300Nm3/h速度向反应器中通入氮气，启动反应器的加热系统，将催化剂加热熔融，而且升温至1500℃＜T≤1600℃并保持；3)连续向反应器中通入5-100Nm3/h含碳气体及1-50Nm3/h掺杂气体，反应温度T保持在1500℃＜T≤1600℃，反应0.3-0.5S形成掺杂石墨烯，掺杂石墨烯随尾气吹出反应器，经收集、酸洗去除夹带催化剂，水洗干燥得掺杂石墨烯成品。进一步的，所述的含碳气体为烷烃。进一步的，所述烷烃为天然气或甲烷。进一步的，所述掺杂气体为氨气和乙硼烷中的一种或两种。进一步的，所述掺杂气体与含碳气体的摩尔比为1:1-1:5。进一步的，步骤1)中，所述的催化剂为铜和钴的混合物。进一步的，所述混合物中的铜和钴的摩尔比例为5:1-2:1。进一步的，所述酸洗采用硫酸与双氧水的混合溶液，其中硫酸与双氧水的质量比为5:1。进一步的，所述反应器的加热系统为中频加热系统或电阻加热系统。进一步的，步骤3)中的尾气经压缩机压缩后部分循环使用。有益效果：1、连续化合成掺杂石墨烯方法开创性的使用熔融的铜、钴作为催化剂及传热质，铜催化剂降低了碳碳键的形成键能，在较低温度下即可形成形成碳六环结构石墨烯，掺杂原子取代碳六环中的一个碳原子，形成掺杂石墨烯，钴催化剂能够提高氮、硼与碳原子形成化学键活性，提高掺杂量，钴起催化掺杂氮原子形成碳氮键、掺杂硼原子形成碳硼键，掺氮石墨烯的掺氮形式以石墨氮和吡啶氮为主。2、在反应气中掺入氨气或乙硼烷气体，氨气和乙硼烷具有很强的氮、硼原子掺杂能力，产品掺杂元素含量高，且不引入其它杂质元素，合成石墨烯同步掺杂，形成掺氮、掺硼或氮硼双掺杂石墨烯，掺氮石墨烯的掺氮形式以石墨氮和吡啶氮为主。掺杂氮呈负电荷、掺杂硼呈正电荷，通过掺杂打开石墨烯电子能带隙，提高电子载流能力，是很好的锂电池正负极材料。3、生产的掺杂石墨烯随尾气吹出反应器，经收集实现连续采出，本方法可实现石墨烯的连续生产，极大提高生产效率(达100kg-150Kg/h)，与CVD法相比，石墨烯产率提高几十倍，大大降低生产成本，并可实现规模化工业生产。4、本专利技术实现高品质掺杂石墨烯连续化生产，大大提高生产效率。说明书附图图1a为掺杂石墨烯产品的电子显微镜扫描图谱；图1b为掺杂石墨烯产品的电子显微镜扫描图谱；图2为掺杂石墨烯产品拉曼光谱分析图；图3为掺杂石墨烯产品原子力显微镜扫描图谱。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合实施例对本专利技术作进一步详述，该实施例仅用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术保护范围的限定。实施例11)将1000L铜颗粒和500L钴颗粒催化剂清洗后，置于3000L反应器中，将反应器抽真空至10Kpa，再向系统中通入氮气至正压，反复操作三次至系统氮气压力保持为0.1Mpa；2)按1000Nm3/h速度通入氮气，启动电加热系统，将铜、钴颗粒加热熔融为铜钴熔融液，并升温至1600度；3)连续向熔融液中通入10Nm3/h天然气及2.5Nm3/h氨气，生成掺氮石墨烯随尾气吹出反应器；4)掺氮石墨烯经收集，尾气经压缩机压缩后部分循环使用，所得产品经硫酸和双氧水混合溶液进行酸洗去除催化剂，水洗干燥得掺氮石墨烯成品，制得掺氮2％石墨烯。实施例21)将1000L铜颗粒和500L钴颗粒催化剂清洗后，置于3000L反应器中，将反应器抽真空至10Kpa，再向系统中通入氮气至正压，反复操作三次至系统氮气压力保持为0.1Mpa；2)按1000Nm3/h速度通入氮气，启动电加热系统，将铜、钴颗粒加热熔融为铜钴熔融液，并升温至1600度；3)连续向熔融液中通入10Nm3/h天然气及2.5Nm3/h乙硼烷，生成掺硼石墨烯随尾气吹出反应器；4)掺硼石墨烯经收集，尾气经压缩机压缩后部分循环使用，所得产品经硫酸和双氧水混合溶液进行酸洗去除催化剂，水洗干燥得掺氮石墨烯成品，制得掺硼1％石墨烯。实施例31)将1000L铜颗粒和500L钴颗粒催化剂清洗后，置于3000L反应器中，将反应器抽真空至10Kpa，再向系统中通入氮气至正压，反复操作三次至系统氮气压力保持为0.1Mpa；2)按1000Nm3/h速度通入氮气，启动电加热系统，将铜、钴颗粒加热熔融为铜钴熔融液，并升温至1600度；3)连续向熔融液中通入10Nm3/h天然气、3Nm3/h氨气及2Nm3/h乙硼烷，生成氮硼双掺杂石墨烯随尾气吹出反应器；4)氮硼双掺杂石墨烯经收集，尾气经压缩机压缩后部分循环使用，所得产品经硫酸和双氧水混合溶液进行酸洗去除催化剂，水洗干燥得氮硼双掺杂石墨烯成品，制得掺氮2.4％掺硼0.8％石墨烯。反应器的材质包括耐温不锈钢、耐火材料、石墨等组成，反应腔内径不低于1.2m。实施例1制备的掺杂石墨烯成品的显微镜扫描图如图1a和1b所示，可见产品为薄层片状结构，且高度褶皱；拉曼光谱分析图如图2所示，产品D峰非常小，说明产品分子缺陷小。原子力显微镜扫描如图3所示，掺杂石墨烯在AFM下观测到的厚度在3nm；掺杂石墨烯原子层数在9层。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续化合成掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)将催化剂置于反应器中，氮气置换并保持反应器内为0.1-1Mpa；/n2)按1000-1300Nm

【技术特征摘要】
1.一种连续化合成掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将催化剂置于反应器中，氮气置换并保持反应器内为0.1-1Mpa；
2)按1000-1300Nm3/h速度向反应器中通入氮气，启动反应器的加热系统，将催化剂加热熔融，而且升温至1500℃＜T≤1600℃并保持；
3)连续向反应器中通入5-100Nm3/h含碳气体及1-50Nm3/h掺杂气体，反应温度T保持在1500℃＜T≤1600℃，反应0.3-0.5S形成掺杂石墨烯，掺杂石墨烯随尾气吹出反应器，经收集、酸洗去除夹带催化剂，水洗干燥得掺杂石墨烯成品。


2.根据权利要求1所述的一种连续化合成掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述的含碳气体为烷烃。


3.根据权利要求2所述的一种连续化合成掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述烷烃为天然气或甲烷。


4.根据权利要求1所述的一种连续化合成掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述掺杂气体为氨气...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴百雄，尉茂，汪应军，吴勇，宫庭，熊传宗，徐善武，
申请(专利权)人：湖北犇星新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42