一种批量制作石墨烯量子点的设备及其制备方法与流程

本发明涉及生产石墨烯设备的技术领域，特别的，涉及一种批量制作石墨烯量子点的设备及其制备方法。

背景技术：

石墨烯量子点（gqds）是一种准零维的纳米材料，由于其电子在每个方向上的运动都受到限制，所以量子的局域效应特别显著，具有独特的物理、化学性质，比如与传统半导体量子点相比，石墨烯量子点具有（1）不含高毒性金属元素，是环保型的量子点材料；（2）结构稳定，耐强酸、强碱及光腐蚀；（3）带隙宽度范围可调；（4）表面功能化实现容易;（5）厚度可薄到一个单原子、化学稳定性等特性。

目前，中国石墨烯量子点制备技术总体呈现上升发展趋势，主要制备方法以缩小法为主。石墨烯量子点缩小法制备技术具备原料易得、生产工艺简单、适于规模化制备等优点，但存在控制难、产率低、产品尺寸不稳的等缺点；扩大法制备过程可控性强，但相对操作繁琐，且产品提纯困难等不足。

根据目前石墨烯量子点制备技术特点及不足，如何突破制备关键技术，研发制备具有单层粒径可控、均匀性好，无污染制备、产率高、可量产的高质量石墨烯量子点，已成石墨烯量子点生产和科研单位的研究课题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种批量制作石墨烯量子点的设备及其制备方法，在石墨粉制备石墨烯量子点的生产过程中，具有可控，无污染制备、产率高、可量产高质量石墨烯量子点的优点。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

上述的目的通过以下技术方案实现的：一种批量制作石墨烯量子点的设备，包含有n个工作槽相互贯通连接组成的一个槽液循环流动系统、与设置在工作槽中的分散机，和与超声波设备；所述的超声波设备中的超声波振动棒设置在工作槽中。为了使工作槽中液体中的多层石墨颗粒受到全方位超声波的“空化”剥离，所述的超声波设备中还包括有超声波振动盒，设置在工作槽四周以及底部的外壁上。

进一步，由于多层石墨颗粒容易发生聚集,为了使各工作槽溶液中的多层石墨颗粒不发生聚集，而且能最有效地被超声波进行“空化”剥离，所述的槽液循环流动系统中工作槽中，设有若干相邻间隔布置的分散机和超声波振动棒，其二者的中心间距为l，所述的l=n（v/f）,n为不为0的自然数，v为超声波在液体中的传播速度，f为超声波的频率。

进一步，由于各槽体中的多层石墨颗粒片层数大小不一，为了使超声波振动棒和分散机能更有效地针对多层石墨颗粒片层进行“空化”剥离，相邻间工作槽中的超声波振动棒采用不同的超声波功率和频率，所述的槽液循环流动系统中各工作槽中，设置的超声波振动棒和分散机中心间距l各不相同。

进一步，为了使各槽超声波设备和分散机运行最佳化，所述的超声波设备频率设置为：15khz-60khz;所述的分散机转速设置为：1-2200r/min。

进一步，为了使工作槽中的槽液在槽中停留更长时间，并且使槽中末端顶层轻质多层石墨颗粒能分离出槽体，重质多层石墨颗粒留着单元工作槽中继续“空化”剥离，所述的槽液循环流动系统中相邻工作槽贯通连接结构是：在前工作槽末端上部设一溢流口，使前工作槽中末端部顶层槽液以溢流方式流入后工作槽中的前端部；为了使多层石墨颗粒大小差异值较均匀，更稳定，所述的溢流出口设置在分散机所在工作区域；为了使流出槽液中的多层石墨颗粒大小差异值范围最小化，多层石墨颗粒较为均匀，所述的溢流口设计为大宽度凹形口，使溢流口溢出的液面高度更小。

由于超声波振动棒、超声波振动盒和分散机在工作过程中会产生大量热量，为了保障槽液在工作槽循环系统中的温度能控制在一定范围内，使槽液循环系统能正常进行单向往复循环运行，所述的槽液循环流动系统中最末工作槽与第一单元工作槽贯通连接结构是：在最末工作槽与第一单元工作槽之间，还设置一输液泵和一冷却装置，通过管道串联连接，将槽液从最末工作槽送入第一工作槽中。

进一步，为了使本发明提供的设备能顺利地进料，用于投放石墨粉、液体等材料，所述的槽液循环流动系统中第一工作槽前端上方还设有一进料口，为了使进料口能够同时进行多项加料作业，所述的进料口可设计多个投料口，用于投放石墨粉、溶液等材料；为了观察槽内液面高度和液体温度，所述的槽液循环流动系统中第一工作槽外壁上还设有液面控制器和温度探头。

进一步，为了使成品石墨烯量子点得到采集回收，所述的槽液循环流动系统中各工作槽底部还设有控制阀和相互贯通连接的槽液回收管路，槽液回收管路上设有液体回收出口。

进一步，由于单元工作槽中的超声波设备和分散机在工作中产生热量，为了使工作槽中的液体温度得到控制，所述的槽液循环流动系统中工作槽可设计为冷却槽。

进一步，为了使超声波振动棒与分散机在工作槽中可调整中心间距l，并且省力省时，快捷方便，所述的槽液循环流动系统中工作槽上方还设有用于安装、调整、固定超声波设备和分散机的移动滑轨。

一种利用上述设备批量制作石墨烯量子点的制备方法：

步骤1：将石墨粉、溶液按比例混合成混合液从进料口投入到第一工作槽中，混合液在第一工作槽中依次从前往后流入到各工作槽中，待n个工作槽加满混合液后，停止加料；

步骤2：启动槽液循环流动系统、超声波设备和分散机运行，使混合液在工作槽中从前往后流动通过，在超声波设备和分散机的作用下，对槽液中的石墨粉进行有序分散、“空化”剥离处理，使槽液中石墨颗粒大小变化在槽中处于前端颗粒大、后端颗粒变小，重质颗粒下沉、轻质颗粒上浮的状态中，并且槽液中的石墨颗粒大小被有序地控制在一定范围内；

步骤3：在第一工作槽液体向第二工作槽流动中：前工作槽中最轻质颗粒的石墨粉处在第一工作槽末端顶层液面中，随着顶层液体从末端部溢流口流入第二工作槽中，第一工作槽液体中的石墨颗粒完成了一次剥离处理，使进入第二工作槽液体中的石墨颗粒变小；

步骤4：在第二工作槽中，液体中石墨颗粒，在新设工作参数的超声波设备和分散机的作用下，对流入槽液中的石墨颗粒再次在槽体中，从前往后地进行分散、“空化”剥离处理，使槽体中石墨颗粒变小，石墨颗粒大小仍处于前端颗粒大、后端颗粒小，重质颗粒下沉、轻质颗粒上浮的状态中；

步骤5：第二工作槽中液体向第三工作槽溢流中，第二工作槽液体中的石墨颗粒又完成了二次剥离处理，使进入第三工作槽液体中的石墨颗粒大小变得更小；

步骤6：本发明的槽液循环流动系统，设有n个工作槽，其各工作槽设置的超声波设备的工作参数各不相同，槽液循环流动系统液体中的石墨颗粒依次从第一工作槽至第n工作槽运行，直至结束，在槽液循环流动系统中完成一轮循环；在一轮循环中，液体中的石墨颗粒在n个工作槽中，完成了n次剥离处理，石墨颗粒层数越来越少，石墨颗粒直径变得越来越小，趋向于石墨烯量子点；

步骤7：液体中的石墨颗粒在完成第一次循环运行后，用输液泵将槽液输入第一工作槽中，进行第二轮循环运行；

步骤8：按步骤2-7程序，如此单向往复循环持续运行，槽液中石墨粉先剥离成多层石墨颗粒，多层石墨颗粒再经剥离，使得多层石墨颗粒片层数变得越来越少，直径越来越小，期间槽液循环流动系统中的冷却装置与超声波设备和分散机同时开启，以控制槽液温度上升，槽液中的多层石墨颗粒逐渐成为碳量子点；

步骤9：随工作时间的增加，碳量子点在槽液循环流动系统中被进一步剥离，层数变得越来越少，直径越来越小，最终成为石墨烯量子点；

步骤10：当槽液中的多层石墨颗粒剥离成石墨烯量子点后，打开控制阀，从槽液回收口采集成品石墨烯量子点，即可。

1.本发明的有益效果：1、由于在各工作槽中内外有规则地安装若干个超声波振动棒、超声波振动盒和分散机，使得各槽体中多层石墨颗粒在内、外超声波作用下被“空化”剥离变小。2、由于在前工作槽末端上部设一溢流口，使得工作槽中末端顶层轻质多层石墨颗粒能分离出槽体，重质多层石墨颗粒留着单元工作槽中继续“空化”剥离，流入下道工作槽中的多层石墨颗粒大小趋于均匀。3、由于n个工作槽相互贯通连接组成一个槽液循环系统，使得各槽体中的槽液能保持正常单向往复循环运行，在超声波振动棒、超声波振动盒和分散机作用下，多层石墨颗粒片层数被超声波“空化”剥离得越来越少，多层石墨颗粒片层趋向石墨烯量子点等级。4、由于工作槽可为冷却槽，使得槽中液体温度可控，液体不会被加热。

附图说明

图1是本发明中的平面布置原理示意图；

图2是图1中的第一工作槽、超声波振动棒、超声波振动盒和分散机的安装结构示意图；

图3是图1中的相邻工作槽之间采用溢流方式贯通连接的结构示意图。

图中，1、工作槽；2、分散机；3、超声波振动棒；4、超声波震动盒；5、溢流口；6、输液泵；7、冷却装置；8、进料口；9、液面控制器；10、控制阀；11、回收口；12、移动滑轨。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1、图2所示，一种批量制作石墨烯量子点的设备，包含有四个工作槽1相互贯通连接组成的一个槽液循环流动系统、与设置在工作槽1中的二个分散机2，和与超声波设备；所述的超声波设备中的二个超声波振动棒3设置在工作槽1中。为了使工作槽1中液体中的多层石墨颗粒受到全方位超声波的“空化”剥离，所述的超声波设备中还包括有超声波振动盒4，设置在工作槽1四周以及底部的外壁上。

为了使各工作槽1溶液中的多层石墨颗粒不发生聚集，而且能最有效地被超声波进行“空化”剥离，在所述的工作槽1中，二个分散机2和二个超声波振动棒3相邻间隔布置，其二者的中心间距为l，所述的l=n（v/f）,n为不为0的自然数，v为超声波在液体中的传播速度，f为超声波的频率。

由于各槽体中的多层石墨颗粒片层大小不一，为了使超声波设备和分散机2能更有效地针对多层石墨颗粒进行“空化”剥离，槽液循环流动系统中相邻间工作槽1中的超声波设备采用不同的超声波功率和频率，在工作槽1循环系统中，每个工作槽1中设置的超声波设备和分散机2中心间距l不相同。第一级工作槽1中，n=1；第二级工作槽1中，n=2；第三级工作槽1中，n=3；第四级工作槽1中，n=4；第n级工作槽1中，n=n。

为了使各槽超声波设备和分散机运行最佳化，所述的超声波设备频率设置为：15khz-60khz;所述的分散机转速设置为：1-22000r/min。

为了使工作槽1中的槽液在槽中停留更长时间，并且使槽中末端顶层轻质多层石墨颗粒片层能分离出槽体，重质多层石墨颗粒片层留着工作槽1中继续“空化”剥离，所述的槽液循环流动系统中相邻工作槽1贯通连接结构是：在前工作槽1末端上部设一溢流口5，使前工作槽1中末端部顶层槽液以溢流方式流入后工作槽1中的前端部，见图3；为了使多层石墨颗粒片层数大小差异值较均匀，更稳定，所述的溢流口5设置在分散机2所在工作区域；为了使流出槽液中的多层石墨颗粒片层数大小差异值范围最小化，多层石墨颗粒片层数较为均匀，所述的溢流口5设计为大宽度凹形出口，使溢流口5溢出的液面高度更小。

由于超声波设备和分散机2在工作过程中会产生大量热量，为了保障槽液在单向循环系统中的温度能控制在一定范围内，使槽液中的多层石墨颗粒片层数在本循环系统中不断往复循环地进行剥离，槽液循环流动系统中第四工作槽1与第一工作槽1贯通连接的结构是：在第四工作槽11与第一工作槽1之间，设置一输液泵6和一冷却装置7，通过管道串联连接，将槽液从第四工作槽1输入第一工作槽1。冷却装置可以设置为冷却器或其他制冷设备。

本工作槽1循环系统的进料口8设置在第一工作槽1前端上方，进料口8可设计多个投料口，分别投放石墨粉、溶液等材料，溶液包括但不限于纯水、各种分散剂（乙醇、dmf、nmp等），在工作槽1内，可以适应性选择纯水或者分散剂的一种或多种。

为了观察槽中液面高度和液体温度，在第一工作槽1外壁上还设有液面控制器9和液体探头。

进一步，为了使成品石墨烯量子点得到采集回收，所述的槽液循环流动系统中各工作槽底部还设有控制阀10和相互贯通连接的槽液回收管路，槽液回收管路上设有液体回收出口11。

进一步，由于工作槽1中的超声波设备和分散机2在工作中产生热量，为了使工作槽1中的液体温度得到控制，所述的槽液循环流动系统中工作槽1可设计为冷却槽。在工作槽外壁设置冷却器或者在工作槽内设置冷却盘管，以实现对工作槽内部液体的冷却效果。

进一步，为了使分散机2与超声波振动棒3在工作槽1中可调整中心间距，并且省力省时，快捷方便，所述的槽液循环流动系统中各工作槽1上方还设有用于安装、调整、固定超声波设备和分散机2的移动滑轨12。

一种利用上述设备批量制作石墨烯量子点的制备方法：

步骤1：将石墨粉、纯水按比例混合成混合液从进料口8投入到第一工作槽1中，混合液在第一工作槽1中依次从前往后流入到各工作槽1中，待n个工作槽1加满混合液后，停止加料；

步骤2：启动槽液循环流动系统、超声波设备和分散机2运行，使混合液在工作槽1中从前往后流动通过，在超声波设备和分散机的作用下，对槽液中的石墨粉进行有序分散、“空化”剥离处理，使槽液中石墨颗粒大小变化在工作槽1中处于前端颗粒大、后端颗粒变小，重质颗粒下沉、轻质颗粒上浮的状态中，并且槽液中的石墨颗粒大小被有序地控制在一定范围内；

步骤3：在第一工作槽1液体向第二工作槽1流动中：前工作槽1中最轻质颗粒的石墨粉处在第一工作槽1末端顶层液面中，随着顶层液体从末端部溢流口5流入第二工作槽1中，第一工作槽1液体中的石墨颗粒完成了一次剥离处理，使进入第二工作槽1液体中的石墨颗粒变小；

步骤4：在第二工作槽1中，液体中石墨颗粒，在新设工作参数的超声波设备和分散机的作用下，对流入槽液中的石墨颗粒再次在槽体中，从前往后地进行分散、“空化”剥离处理，使槽体中石墨颗粒变小，石墨颗粒大小仍处于前端颗粒大、后端颗粒小，重质颗粒下沉、轻质颗粒上浮的状态中；

步骤5：第二工作槽1中液体向第三工作槽1溢流中，第二工作槽1液体中的石墨颗粒又完成了一次剥离处理，使进入第三工作槽1液体中的石墨颗粒大小变得更小；

步骤6：本发明的槽液循环流动系统，设有n个工作槽1，其各工作槽1设置的超声波设备工作参数各不相同，槽液循环流动系统液体中的石墨颗粒依次从第一工作槽1至第n工作槽1运行，直至结束，在槽液循环流动系统中完成一轮循环；在一轮循环中，液体中的石墨颗粒在n个工作槽1中，完成了n次剥离处理，石墨颗粒层数越来越少，石墨颗粒直径变得越来越小，趋向于石墨烯量子点；

步骤7：液体中的石墨颗粒在完成第一次循环运行后，用输液泵6将槽液输入第一工作槽1中，进行第二轮循环运行；

步骤8：按步骤2-7程序，如此往单向复循环持续运行，在槽液循环流动系统中，槽液中石墨粉先剥离成多层石墨颗粒，多层石墨颗粒再经剥离，使得多层石墨颗粒片层数变得越来越少，直径越来越小，期间槽液循环流动系统中的冷却装置7与超声波设备和分散机2同时开启，控制槽液温度上升，槽液中的多层石墨颗粒逐渐成为碳量子点；

步骤9：随工作时间的增加，碳量子点在槽液循环流动系统中被进一步剥离，层数变得越来越少，直径越来越小，最终成为石墨烯量子点；

步骤10：当槽液中的多层石墨颗粒剥离成石墨烯量子点时，打开控制阀10，从槽液回收口11采集成品石墨烯量子点，即可。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。