基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法及其粉末技术

本发明专利技术公开了一种基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法及其粉末，方法包括以下步骤：a、将金属原料加入高温蒸发器中，加热使其蒸发；b、通过载气将碳氧化合物气体和步骤a中得到的原料蒸汽送入粒子成形控制器；c、使碳氧化合物气体中的碳在金属粒子成核和生长的过程中于其表面反应沉积并形成片层状的石墨烯；d、将步骤c中得到的原料导入冷却器中冷却，并使片层状的石墨烯从已成形的金属粒子表面分离，收集即得石墨烯掺杂的超细金属粉末。本发明专利技术基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法及其粉末能规模化生产出片层状颗粒的石墨烯粉体、其生产工序少且相对简单、经济效益相对高、安全且成本相对低。安全且成本相对低。安全且成本相对低。

【技术实现步骤摘要】
基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法及其粉末


[0001]本专利技术涉及超细粉末材料制备
，具体讲是一种基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法及其粉末，展开讲即一种基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法及其石墨烯掺杂金属粉末。

技术介绍

[0002]石墨烯是当代固体物理学和材料学上里程碑式的发现，其由于单层二维蜂窝状的晶格结构和特殊的光电学特性，在例如新能源电池、催化、储气储能应用等多个领域具有重要的应用前景。石墨烯常见的生产方法有剥离法、SiC外延生长法和化学气相沉积法(CVD)，其中目前最具实用前景的合成方法是应用CVD法使含碳前驱物中的碳沉积于金属基底上，以获得大面积、高质量石墨烯薄膜，其具有高导电性、高透光性、高柔韧性、高阻隔性、高机械强度、高化学稳定性、超薄等特点，在透明导电薄膜、分离阻隔膜、场效应晶体管、光电探测器、导热材料、集流体涂层、催化剂载体等高精度场合具有广泛用途，但对于精度要求相对较低或是用量需求较大的应用场合其并不适用，例如用于改善导电浆料性能、作为电极材料或散热材料时，微米到纳米尺度的石墨烯粉末更具优势。
[0003]对于上述技术问题，现有技术提出的解决方法有对制备方法进行提效，如使用氧化还原等化学法、微波/电离/激光等高能物理法实现批量生产，又或是将石墨烯与其他基底材料进行复合以期在提高生产效率的同时拓宽应用场景等，但诸多方法对设备要求较高、投入产出比大、规模化生产困难、综合经济效益不高。其中，应用碳沉积方法在金属基底上得到石墨烯粉末是能耗与污染相对较低、具有良好开发前景的一个方向。
[0004]CN107745120A公开了一种碳被覆金属粉末的制造方法，其通过高温蒸发产生金属蒸气，并在上述金属蒸气冷却成核生长的过程中供给易受热分解的烃醇类碳源，在金属核的表面上形成碳被覆膜。CN110777354A公开了一种金属粉末表面生长石墨烯的方法，其通过高温将金属粉末熔融形成液滴，并供给烃醇类碳源使其在液滴表面催化裂解，生成交错堆积生长的石墨烯层。上述现有技术均属于在固定空间内金属粉末基底上的原位包覆，这样做有利于包覆的完整性和强度，但所得产品的应用也受限于金属粉末本身(如用于改善金属烧结性能)，外层碳层或石墨烯层则由于包覆层与金属粉末基底分离困难，其优良性能和应用潜力反而遭到了忽略或限制。并且，在金属粉末表面碳氢化合物分解生成的碳被覆层有可能只是以无定形炭形式存在，而未形成石墨烯结构；或者需要对原料二次加热进行反应，大量耗能的弊端还同时存在高温下金属粒子分散不良导致的粉体烧结问题。
[0005]此外，不仅限于以金属粉末作为基底，现有技术中应用碳沉积法的石墨烯制备方法还有一个较普遍的缺点，即涉及到以碳氢化合物作为碳源，上述碳源在分解过程中会产生氢气，增加了生产过程中的安全隐患以及设备运维成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的一个技术问题是，提供一种能规模化生产出片层状颗粒的石墨烯
粉体、其生产工序少且相对简单、经济效益相对高、安全且成本相对低的基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法。
[0007]本专利技术的一个技术解决方案是，提供一种基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法，包括以下步骤：
[0008]a、将金属原料加入高温蒸发器中，加热使其蒸发；
[0009]b、通过载气将碳氧化合物气体和步骤a中得到的原料蒸汽送入粒子成形控制器；
[0010]c、使碳氧化合物气体中的碳在金属粒子成核和生长的过程中于其表面反应沉积并形成片层状的石墨烯；
[0011]d、将步骤c中得到的原料导入冷却器中冷却，并使片层状的石墨烯从已成形的金属粒子表面分离；
[0012]e、收集即得石墨烯掺杂的超细金属粉末。
[0013]采用以上步骤后，本专利技术基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法具有以下优点:
[0014]本方法应用了熔融金属表面发生的Boudouard反应即焦炭气化反应的特殊反应平衡机制：在高温条件下，这一反应更倾向于CO的生成而不是生成C沉淀，而CO分子具有高温下不发生非催化性分解的稳定性质，因此不会在已有的碳沉淀层上形成无定形沉积碳或第二石墨烯层，但其在过渡金属的活性化表面会产生特殊反应。以铜为例，熔融态下Cu(111)面与CO分子接触后分解生成纳米团簇并活性化，加速在其表面的Boudouard反应并生成单层石墨烯，且由于铜活性表面被覆盖不会继发生成后续碳层，待铜粒子经粒子成形控制器冷却后，其表面石墨烯脱落便形成单层石墨烯，而在本专利技术中特殊的是，金属粒子是随着载气在运动状态下成核并生长的，故石墨烯并不会在金属粒子表面形成完整包覆，而是形成部分片层状结构后即脱落，或者由多个粒子协同生成较大的片层状石墨烯。
[0015]本专利技术基于蒸发冷凝法，基本上利用现有金属粉末制造设备，在制备超细金属粉末的同时，制备出片层状石墨烯粉体如平均粒径为几百纳米到十几微米的片层状颗粒的石墨烯粉体，即在制备超细金属粉末的同时得到片层状石墨烯这一副产物。在现有技术的基础上开发出一条具有高附加值的联产工艺，实现了超细金属粉末与片层状石墨烯的联产，实现了片层状颗粒的石墨烯粉体的规模化生产。从产能上讲，如现有技术的单层石墨烯产能按比表面积算年产10万m2重量也就25g，而本专利技术方法一台机组的金属粉末产能按每月按2吨计，以0.01wt％的标准计算石墨烯副产品也有200g，其产能效益明显，具有很强的商业应用前景和工业上的实用意义。本专利技术方法所制备的石墨烯和金属粉末混合物具有较好的导电性，能很好地应用于导电浆料及电极制备。并且本专利技术的制备方法，工序少且工艺简单稳定，对设备的要求较低，制备成本低，综合经济效益高。
[0016]本专利技术制备方法整个封闭系统在无氢条件运行，能够实现在无氢气氛围中制备石墨烯，整体生产过程安全可控。如果系统内有氢气，工业生产上密闭容器一般是不会做负压的，因为如泄漏的话空气倒灌容易爆炸，而本系统没有氢气，就可以将高温蒸发器的工作压力降到一个大气压以下，使金属沸点降低，降低了对加热设备精度要求和能耗。并且由于没有氢气整个封闭系统的危险系数就降低，设备保持基础气密性即可，车间安全等级标准也相对降低，其设备成本和氢气检测点设备等成本都相对降低，即进一步节约了生产成本。
[0017]进一步地，步骤b中所述的碳氧化合物气体在粒子成形控制器的入口处输入。采用
以上步骤后，碳氧化合物从高温蒸发器外单独输入，对坩埚和保温层或填充层的材料性质没有限定，使本方法在正常制备超细金属粉末的同时得到片层状石墨烯的过程中对现有设备的适应性更强。
[0018]进一步地，所述碳氧化合物气体为CO与CO2的混合气体；所述混合气体中CO与CO2的气体流量比为1～300：1；所述混合气体的气体流量为1～20L/h。采用以上优选的工艺参数后，制备过程更稳定、更可靠，制备出的超细金属粉末和片层状石墨烯的质量更好、产量更高。
[0019]进一步地，步骤b中所述的碳氧化合物气体由预先设置于高温蒸发器内部高温区的碳源材料与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：a、将金属原料加入高温蒸发器中，加热使其蒸发；b、通过载气将碳氧化合物气体和步骤a中得到的原料蒸汽送入粒子成形控制器；c、使碳氧化合物气体中的碳在金属粒子成核和生长的过程中于其表面反应沉积并形成片层状的石墨烯；d、将步骤c中得到的原料导入冷却器中冷却，并使片层状的石墨烯从已成形的金属粒子表面分离；e、收集即得石墨烯掺杂的超细金属粉末。2.根据权利要求1所述的基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法，其特征在于：步骤b中所述的碳氧化合物气体在粒子成形控制器的入口处输入。3.根据权利要求2所述的基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法，其特征在于：所述碳氧化合物气体为CO与CO2的混合气体；所述混合气体中CO与CO2的气体流量比为1～300：1；所述混合气体的气体流量为1～20L/h。4.根据权利要求1所述的基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法，其特征在于：步骤b中所述的碳氧化合物气体由预先设置于高温蒸发器内部高温区的碳源材料与氧源材料反应生成；所述碳氧化合物气体为CO、或CO与CO2的混合气体；所述碳源材料为碳素材料中的一种；所述氧源材料为O2、CO2、氧化物陶瓷材料中的一种。5.根据权利要求4所述的基于蒸发冷凝法制备石墨烯掺杂金属粉末的方法，其特征在于：当所述氧源材料包含O2或CO2时，所述氧源材料在所述高温蒸发器中的浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡建亮，赵登永，蔡俊，陈钢强，彭家斌，
申请(专利权)人：宁波广迁电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：