一种流化床连续化生产石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种流化床连续化生产石墨烯的方法，将催化剂置于流化段，通入惰性气体，将催化剂吹至流化态；然后启动流化床反应器外部加热，将催化剂温度升至800℃～1000℃并持续向反应器中通入含碳气体，产物进入流化段上部扩大段经降速后分离出石墨烯气并从顶部采出。本发明专利技术采用流化床连续化生产石墨烯，使用流化态的催化剂作为气相沉积的基体，提高含碳气体沉积面积，大大提高生产效率，同时催化剂之间相互碰撞、及扩大段的降速实现生成的石墨烯与催化剂的分离，可以实现连续化生产。可以实现连续化生产。可以实现连续化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种流化床连续化生产石墨烯的方法


[0001]本专利技术涉及石墨烯制备
，具体为一种流化床连续化生产石墨烯的方法。

技术介绍

[0002]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、产品分离困难、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，限制了石墨烯产业的发展。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种流化床连续化生产石墨烯的方法，解决包括但不限于上述现有技术的缺陷。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的方案如下：
[0005]一种流化床连续化生产石墨烯的方法，包括如下步骤：
[0006]S1.将催化剂置于流化段，通入惰性气体，将催化剂吹至流化态；
[0007]S2.启动流化床反应器外部加热，将催化剂温度升至800℃～1000℃，并持续通入含碳气体；
[0008]S3.产物进入流化段上部扩大段降低流化速度后分离出石墨烯气并从顶部采出。
[0009]本专利技术中，所述催化剂流化速度为50～70m/s，进入流化床反应器上部扩大段的流速为20～40m/s。
[0010]本专利技术中，所述催化剂为20～60目的铜粉或镍粉。
[0011]本专利技术中，所述含碳气体为甲烷或天然气，通入量为2
‑
10Nm3/h。
[0012]进一步地，所述含碳气体中还掺入氨气、硼烷中的至少一种。
[0013]作为优选，所述掺杂气体与含碳气体的摩尔比为1:(5
‑
10)。
[0014]本专利技术中，所述惰性气体为氮气或氩气。
[0015]本专利技术中，所述流化段内径为0.2～0.4m，高度5
‑
7m；所述扩大段内径为0.4
‑
0.5m。
[0016]本专利技术中，所述流化段下方设有气体分布器，按400
‑
600Nm3/h的量向流化床反应器中惰性气体，气体喷速150
‑
180m/s。
[0017]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0018]1、本专利技术采用流化床连续化生产石墨烯，开创性的使用流化状态的铜粉或镍粉作为气相沉积的基体，提高含碳气体沉积面积，大大提高生产效率，同时催化剂之间相互碰撞、及扩大段的降速实现生成的石墨烯与催化剂的分离，可以实现连续化生产。
[0019]2、本专利技术在含碳气体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，生成掺氮、掺硼或氮硼双掺杂石墨烯，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、导电性能和导热性能。
附图说明
[0020]图1为本专利技术所述生产方法采用的流化床示意图。
[0021]图2为本专利技术所述生产方法得到的石墨烯电子显微镜扫描图谱。
[0022]图3为本专利技术所述生产方法得到的石墨烯产品EDS能谱图。
[0023]图4为本专利技术对比例1制备石墨烯的显微镜扫描图。
[0024]图5为本专利技术对比例3制备石墨烯的电子显微镜扫描图谱。
[0025]图中标记为：1、气体入口；2、流化段；3、扩大段；4、气体出口；21、气体分布器；22、加热线圈。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]本专利技术提出一种流化床连续化生产石墨烯的方法，包括如下步骤：
[0028]1)将催化剂20～60目铜粉或镍粉置于流化床反应器中，氮气或氩气等惰性气体置换并保持反应器内50kPa微正压；
[0029]2)按400
‑
600Nm3/h速度向流化床反应器中通入氮气或氩气等惰性气体，气体通过气体分布器喷入流化床，气体喷速150～180m/s，将催化剂吹入流化段达到流化状态，流化速度50
‑
70m/s，启动流化床反应器外部的加热线圈，加热功率120～160kW，催化剂感应磁场发热，将催化剂温度升至800℃～1000℃并保持；
[0030]3)连续向反应器中通入含甲烷或天然气，反应温度保持在800℃～1000℃，含碳气体在催化剂表面气相沉积生成石墨烯，催化剂流化过程中相互碰撞使用石墨烯与催化剂分离，在流化床反应器上部扩大段，由于气体流速降低至20
‑
40m/s，催化剂落回流化段继续流化，石墨烯较轻随尾气从流化床反应器顶部采出；
[0031]4)在反应气体中掺入含氨气或硼烷等掺杂气体，可以同步生成掺氮、硼石墨烯。
[0032]上述生产方法中所用的流化床反应器示意图如图1所示，包括位于底部的进气口1，中间部分的流化段2，位于上方的扩大段3及顶部的气体出口4；流化段2外部设置有加热线圈22，流化段2入口处设有气体分布器21，气体分布器21用于控制进入气体的分布和速度，包括含碳气体和惰性气体。
[0033]上述流化床反应器，流化段2的内径为0.2～0.4m，高度5
‑
7m，气体分布器21使气体喷速达到150～180m/s(工况)，气体均匀喷向流化段2，使催化剂进入流化状态，流化速度50～70m/s；加热线圈22通过磁场加热催化剂，加热功率120～160kW；流化段2从外到里的材质分别为310S不锈钢、304不锈钢支撑圈、硅钢磁轭、环氧绝缘板、通水铜线圈、刚玉耐火材料、氮化硅耐磨层；扩大段3的内径为0.4
‑
0.5m，可将催化剂气速降低至20～40m/s回落至流化段2。
[0034]本专利技术使用流化状态的铜粉或镍粉作为气相沉积的基体，提高含碳气体沉积面积，大大提高生产效率，同时催化剂之间相互碰撞、及扩大段的降速实现生成的石墨烯与催化剂的分离，可以实现连续化生产，且准备得到的石墨烯含量达到100％。
[0035]本专利技术的多个实施例中，控制含碳气体通入量优选2
‑
10Nm3/h时，制备的石墨烯成品的显微镜扫描图如图2所示，可见产品为薄层片状结构，品质非常好；EDS能谱图如图3所示，制备的石墨烯含量达到100％。
[0036]本专利技术中，所述掺杂气体为氨气和乙硼烷中的一种或两种；掺杂气体与含碳气体的摩尔比为1：(5
‑
10)。由于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，生成掺氮、掺硼或氮硼双掺杂石墨烯，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、导电性能和导热性能。
[0037]实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流化床连续化生产石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将催化剂置于流化段，通入惰性气体，将催化剂吹至流化态；S2.启动流化床反应器外部加热，将催化剂温度升至800℃～1000℃，并持续通入含碳气体；S3.产物进入流化段上部扩大段降低流化速度后分离出石墨烯气并从顶部采出。2.根据权利要求1所述的流化床连续化生产石墨烯的方法，其特征在于，所述催化剂流化速度为50～70m/s，进入流化床反应器上部扩大段的流速为20～40m/s。3.根据权利要求1所述的流化床连续化生产石墨烯的方法，其特征在于，所述催化剂为20～60目的铜粉或镍粉。4.根据权利要求1所述的流化床连续化生产石墨烯的方法，其特征在于，所述含碳气体为甲烷或天然气，通入量为2
‑
10Nm3/h。5.根据权利要求4所述的流化床连续化生产石墨烯的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：尉茂，
申请(专利权)人：武汉先见科技有限公司，
类型：发明
国别省市：