超临界制备石墨烯的装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种超临界制备石墨烯的装置及方法，其中，该装置包括：反应装置、支撑机构、加热装置、淬冷装置和导轨；其中，反应装置连接于支撑机构；导轨置于反应装置的下方，加热装置和淬冷装置均可滑动地连接于导轨，并且，加热装置和淬冷装置可交替地沿导轨滑至反应装置的下方。本发明中，能够使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，再通过淬冷装置对已经发生物理反应后的有机溶剂和碳质原料进行冷却，这样冷热交替刺激有机溶剂和碳质原料，能够最大程度地破坏碳质原料的分子间作用力，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉。
【专利说明】
超临界制备石墨丨布的装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体而言，涉及一种超临界制备石墨烯的装置及方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料。虽然石墨烯只有一层碳原子层的厚度，但是石墨烯是目前已知的最薄的材料，也是最强韧的材料，并且，石墨烯还具有很好的弹性和良好的导电性，因此，石墨烯在电子学、光学、磁学、生物医学、传感器、储能等方面均有广泛的应用。
[0003]目前，石墨烯常用的制备方法包括:机械剥离法、氧化还原法、外延生长法和化学气相沉积法。其中，机械剥离法制备出的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是片层小、生产效率低。氧化还原法虽然石墨烯的产量高，但是质量较低。外延生长法虽然能够获得高质量的石墨烯，但是对设备的要求较高。气相沉积法具有石墨烯的质量高的特点，但是成本高，工艺条件还需进一步完善。因此，石墨烯更多地采用超临界方法进行制备，其中超临界CO2法应用更为广泛，但是成本高、产率低。
【发明内容】
[0004]鉴于此，本发明提出了一种超临界制备石墨烯的装置，旨在解决现有技术中采用超临界C02法制备石墨稀导致成本尚、广率低的冋题。本发明还提出了一种超临界制备石墨烯的方法。
[0005]—个方面，本发明提出了一种超临界制备石墨烯的装置，该装置包括:反应装置、支撑机构、加热装置、淬冷装置和导轨;其中，反应装置连接于支撑机构；导轨置于反应装置的下方，加热装置和淬冷装置均可滑动地连接于导轨，并且，加热装置和淬冷装置可交替地沿导轨滑至反应装置的下方。
[0006]进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，加热装置包括:加热本体和第一伸缩杆;其中，第一伸缩杆的一端与导轨滑动连接，第一伸缩杆的另一端与加热本体相连接。
[0007]进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，加热本体为一端开口的加热套。
[0008]进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，淬冷装置包括:淬冷本体和第二伸缩杆;其中，第二伸缩杆的第一端与导轨滑动连接，第二伸缩杆的第二端与淬冷本体相连接；淬冷本体用于冷却反应装置。
[0009]进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，淬冷本体包括:桶体和冷却液;其中，桶体与第二伸缩杆的第二端相连接，冷却液置于桶体内。
[0010]进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，反应装置设置有用于监测内部温度的温度表。
[0011]进一步地，上述超临界制备石墨烯的装置中，反应装置设置有用于监测内部压力的压力表。
[0012]本发明中，通过加热装置对反应装置内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，再通过淬冷装置对已经发生物理反应后的有机溶剂和碳质原料进行冷却，这样冷热交替刺激有机溶剂和碳质原料，能够最大程度地破坏碳质原料的分子间作用力，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉，解决了现有技术中采用超临界CO2法制备石墨烯导致成本高、产率低的问题。
[0013]另一方面，本发明还提出了一种利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法，该方法包括如下步骤:加料:向制备装置中的反应装置内投入有机溶剂和碳质原料;加热:将制备装置中的加热装置置于反应装置的下方，加热装置对反应装置进行加热，直至达到预设温度;淬冷:在有机溶剂和碳质原料反应达到第一反应时间后，移走加热装置，并将淬冷装置置于反应装置下方对其进行淬冷，直至达到第二反应时间后，移走淬冷装置;重复上述加热步骤和淬冷步骤，直至得到石墨稀。
[0014]进一步地，上述超临界制备石墨稀的方法中，有机溶剂中的含水量为70%?99%。
[0015]进一步地，上述超临界制备石墨稀的方法中，预设温度为250°C?650°C，第一反应时间为20-50min，第二反应时间为20-50min。
[0016]本发明中，通过加热步骤对反应装置内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，并且，有机溶剂中的水在预设温度下能够更好地与有机溶剂进行互溶，水随有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，更好地破坏碳质原料的分子键，进一步增大了碳质原料的层间距离;再通过淬冷步骤对已经发生物理反应后的有机溶剂和碳质原料进行冷却，这样冷热交替刺激有机溶剂和碳质原料，能够最大程度地破坏碳质原料的分子间作用力，便于石墨烯的后续分离，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉。
【附图说明】
[0017]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
[0018]图1为本发明实施例提供的超临界制备石墨烯的装置的结构示意图；
[0019]图2为本发明实施例提供的利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0021]超临界制备石墨稀的装置实施例:
[0022]参见图1，图1为本发明实施例提供的超临界制备石墨烯的装置的结构示意图。如图所示，该超临界制备石墨烯的装置包括:反应装置1、支撑机构2、加热装置3、淬冷装置4和导轨5。其中，反应装置I连接于支撑机构2，导轨5设置于反应装置I的下方，加热装置3和淬冷装置4均可滑动地连接于导轨5，并且，加热装置3和淬冷装置4可交替地沿导轨5滑动至反应装置I的下方。具体地，反应装置I与导轨5之间具有预设高度，该预设高度可以根据情况来确定，本实施例对此不做任何限定。反应装置I可以包括反应器11和可开盖合连接于反应器的盖体12。有机溶剂可以为乙醇、匪P、表面活性剂等，该有机溶剂可以为单一有机溶剂，也可以为几种有机溶剂的混合物。碳质原料可以为石墨、煤等。
[0023]支撑机构2可以包括:支撑板21和至少两个支撑杆22。其中，各支撑杆22均与支撑板21相连接，使得支撑板21与导轨5之间具有预设高度。支撑板21设置有开口，反应装置I穿设于开口且与支撑板21相连接。具体地，反应装置I与支撑板21为可拆卸连接，也就是说，反应装置I可由支撑板21上取下。具体实施时，反应装置I的外壁设置有支挡件13，反应装置I通过支挡件13架设于支撑板21，这样反应装置I与支撑板21通过支挡件13支档，便于反应装置I取下和安装。
[0024]制备时，将有机溶剂和碳质原料投入反应装置I内，有机溶剂和碳质原料进行混合。加热装置3滑动至反应装置I的下方，并对反应装置I进行加热，使得反应装置I内的温度达到预设温度，该预设温度能够满足超临界条件。由于反应装置I内温度升高，所以反应装置I内的压力也随之升高。当反应装置I内的温度达到预设温度时，有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，碳质原料的分子间作用力减弱，使得碳质原料的层间距离增大。在有机溶剂和碳质原料反应达到第一反应时间后，将加热装置3通过导轨5滑动至一侧，将淬冷装置4滑动至反应装置I的下方，淬冷装置4对反应装置I进行冷却，由于反应装置I内的温度很高，所以当淬冷装置4对反应装置I进行冷却时，反应装置I的温度降低，冷热交替进一步破坏碳质原料的分子间作用力。冷却至第二反应时间，再将淬冷装置4滑动至一侧，将加热装置3滑动至反应装置I的下方，继续对反应装置I进行加热，重复上述加热和淬冷的步骤，最终得到石墨稀。
[0025]需要说明的是，具体实施时，预设温度可以为250°C?650°C，也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限定。反应装置I内的压力可以为21MPa?30MPa，也可以实际根据情况来确定，本实施例对此不做任何限定。第一反应时间可以为20-50min，第二反应时间可以为20-50min。具体实施时，第一反应时间和第二反应时间也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
[0026]本领域技术人员应该理解，上述反应装置I得到的石墨烯为粗品石墨烯，粗品石墨稀继续进行分离才可以得到石墨稀。
[0027]可以看出，本实施例中，通过加热装置3对反应装置I内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，再通过淬冷装置4对已经发生物理反应后的有机溶剂和碳质原料进行冷却，这样冷热交替刺激有机溶剂和碳质原料，能够最大程度地破坏碳质原料的分子间作用力，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉，解决了现有技术中采用超临界CO2法制备石墨烯导致成本高、产率低的问题。
[0028]继续参见图1，上述实施例中，加热装置3可以包括:加热本体31和第一伸缩杆32。其中，第一伸缩杆32的一端与导轨5滑动连接，第一伸缩杆32的另一端与加热本体31相连接。优选的，加热本体31为一端开口的加热套，加热套套设于反应装置I的外部。第一伸缩杆32的一端与导轨5相连接且可沿导轨5滑动，第一伸缩杆32的另一端与加热套相连接。具体实施时，加热套可以为电加热套。第一伸缩杆32可以为电动伸缩杆、液压伸缩杆等，也可以为能够实现升降加热本体31的其他结构，本实施例对此不做任何限定。
[0029]第一伸缩杆32用于升降加热套，当第一伸缩杆32向上升起使得加热套套设于反应装置I的外部时，加热套对反应装置I进行加热。在加热达到预设温度并且达到第一反应时间后，第一伸缩杆32向下降落使得加热套脱离反应装置I的外部，加热套停止对反应装置I进行加热，第一伸缩杆32带动加热套一起移出反应装置I的下方，将淬冷装置4滑动至反应装置I下方，淬冷装置4对反应装置I进行冷却。
[0030]可以看出，本实施例中，通过第一伸缩杆32升降加热本体31，使得加热本体31可以根据实际需要对反应装置I进行加热，并且第一伸缩杆32可滑动地连接于导轨5，使得第一伸缩杆32可在反应装置I的下方滑动，加热本体31随第一伸缩杆32在反应装置I的下方滑动，便于加热本体31移出反应装置I的下方，进而便于淬冷装置4滑动至反应装置I的下方并对反应装置I进行冷却，结构简单，易于实施。
[0031]继续参见图1，上述各实施例中，淬冷装置4可以包括:淬冷本体41和第二伸缩杆42。其中，第二伸缩杆42的第一端与导轨5滑动连接，第二伸缩杆42的第二端与淬冷本体41相连接，淬冷本体41用于冷却反应装置I。具体地，第二伸缩杆42的第一端与导轨5相连接且可沿导轨5滑动。具体实施时，第二伸缩杆42可以为电动伸缩杆、液压伸缩杆等，也可以为能够实现升降淬冷本体41的其他结构，本实施例对此不做任何限定。
[0032]第二伸缩杆42用于升降淬冷本体41，当加热装置3移出反应装置I的下方时，第二伸缩杆42带动淬冷本体41滑动至反应装置I的下方，淬冷本体41对反应装置I进行冷却。当冷却达到第二反应时间后，第二伸缩杆42向下降落使得淬冷本体41脱离反应装置I，并且，第二伸缩杆42带动淬冷本体41移出反应装置I的下方，第一伸缩杆32带动加热本体31滑动至反应装置I的下方，加热本体31对反应装置I进行加热，重复上述操作。
[0033]可以看出，本实施例中，通过第二伸缩杆42升降淬冷本体41，使得淬冷本体41可控制地对反应装置I进行冷却，并且第二伸缩杆42可滑动地连接于导轨5，使得第二伸缩杆42可在反应装置I的下方滑动，便于淬冷本体41随第二伸缩杆42移出反应装置I的下方，进而便于加热装置3滑动至反应装置I的下方并对反应装置I进行加热，结构简单，易于实施。
[0034]继续参见图1，上述实施例中，淬冷本体41可以包括:桶体和冷却液。其中，桶体与第二伸缩杆42的第二端相连接，并且桶体套设于反应装置I的外部。桶体内设置有冷却液。具体地，冷却液可以为冰水混合物。
[0035]可以看出，本实施例中，淬冷装置4为装有冷却液的桶体，结构简单，便于操作。
[0036]继续参见图1，上述各实施例中，反应装置I设置有温度表6，该温度表6用于监测反应装置I内部的温度，这样，便于对反应装置I内温度升高的速率进行控制，实现了反应装置I内温度的可调节。
[0037]继续参见图1，上述各实施例中，反应装置I还设置有用于监测反应装置I内部压力的压力表7。具体地，该超临界制备石墨烯的装置还可以包括连接管道，连接管道穿设于反应装置I，连接管道的第一端置于反应装置I内，连接管道的第二端置于反应装置I的外部，压力表7连接于连接管道。具体实施时，当反应装置I包括反应器11和盖体12时，盖体12开设有穿设孔，连接管道穿设于该穿设孔，连接管道的第一端置于反应器11内，连接管道的第二端置于反应11器的外部。
[0038]可以看出，本实施例中，通过设置压力表7，便于监测反应装置I内部的压力变化，确保了反应装置I内有机溶剂和碳质原料的正常反应，提高了反应装置I的安全性。
[0039]继续参见图1，上述各实施例中，连接管道还可以设置有安全阀8，当反应装置I内压力超过预设反应压力时，安全阀8打开，反应装置I内的压力降低，确保反应装置I的安全运行。具体实施时，预设反应压力可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
[0040]连接管道还可以设置有截止阀9，当出现反应装置I内压力超过压力上限值等的紧急情况时，打开截止阀9，能够快速对反应装置I进行泄压。优选的，截止阀9为至少两个。具体实施时，压力上限值可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
[0041 ]综上所述，本实施例中，通过加热装置对反应装置内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，再通过淬冷装置对已经发生物理反应后的有机溶剂和碳质原料进行冷却，这样冷热交替刺激有机溶剂和碳质原料，能够最大程度地破坏碳质原料的分子间作用力，便于石墨烯的后续分离，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉。
[0042]超临界制备石墨烯的方法实施例:
[0043]本发明还提出了一种利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法。参见图2，图2为本发明实施例提供的利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法的流程图。如图所述，该方法包括如下步骤:
[0044]加料步骤SI，向上述制备装置中的反应装置I内投入有机溶剂和碳质原料。
[0045]具体地，有机溶剂和碳质原料在反应装置I内进行充分混合。其中，有机溶剂的含水量为70%?99%。有机溶剂可以为乙醇、NMP、表面活性剂等，该有机溶剂可以为单一有机溶剂，也可以为几种有机溶剂的混合物。碳质原料可以为石墨、煤等。
[0046]加热步骤S2，将制备装置中的加热装置3置于反应装置I的下方，加热装置3对反应装置I进行加热，直至达到预设温度。
[0047]具体地，该预设温度能够满足超临界条件。通过加热装置3对反应装置I进行加热，随着反应装置I内温度的升高，反应装置I内的压力也会升高。在本实施例中，反应装置I内的预设温度可以为2500C?650°C，压力可以为21MPa?30MPa。具体实施时，预设温度也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限制。压力也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
[0048]当反应装置I内的温度达到预设温度时，反应装置I内的有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，碳质原料的分子间作用力减弱，使得碳质原料的层间距离增大。由于有机溶剂中的含水量多，并且该反应装置I内的温度和压力已满足了超临界条件，所以有机溶剂中的水能够更好地与有机溶剂中的有机质进行互溶，则水随有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，更好地破坏碳质原料的分子键，增大了碳质原料的层间距离。
[0049]淬冷步骤S3，在有机溶剂和碳质原料反应达到第一反应时间后，移走加热装置，并将淬冷装置4置于反应装置I的下方，淬冷装置4对反应装置I进行淬冷，直至达到第二反应时间后，移走淬冷装置4。
[0050]具体地，当有机溶剂和碳质原料反应达到第一反应时间后，加热装置3停止加热，淬冷装置4对反应产物进行冷却，由于反应装置I内的温度很高，所以当淬冷装置4对反应装置I进行冷却时，反应装置I的温度降低，冷热交替能够进一步破坏碳质原料的分子间作用力。冷却至第二反应时间，淬冷装置4停止对反应装置I冷却。
[0051 ]重复上述的加热和淬冷步骤，得到石墨烯。
[0052]第一反应时间可以为20-50min，第二反应时间可以为20-50min。需要说明的是，具体实施时，第一反应时间和第二反应时间也可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
[0053]本领域技术人员应该理解，上述反应装置I得到的石墨烯为粗品石墨烯，粗品石墨稀继续进行分离才可以得到石墨稀。
[0054]可以看出，本实施例中，通过加热步骤对反应装置内的有机溶剂和碳质原料进行加热，使得有机溶剂和碳质原料能够充分发生物理反应，碳质原料的分子间作用力减弱，增大了碳质原料的层间距离，并且，有机溶剂中的水在预设温度下能够更好地与有机溶剂进行互溶，水随有机溶剂渗透至碳质原料的片层间，更好地破坏碳质原料的分子键，进一步增大了碳质原料的层间距离;再通过淬冷步骤对已经发生物理反应后的有机溶剂和碳质原料进行冷却，这样冷热交替刺激有机溶剂和碳质原料，能够最大程度地破坏碳质原料的分子间作用力，便于石墨烯的后续分离，提高了石墨烯的产率，并且保证了石墨烯的质量，成本低廉。
[0055]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种超临界制备石墨烯的装置，其特征在于，包括:反应装置(I)、支撑机构(2)、加热装置(3)、淬冷装置(4)和导轨(5);其中， 所述反应装置(I)连接于所述支撑机构(2); 所述导轨(5)置于所述反应装置(I)的下方，所述加热装置(3)和所述淬冷装置(4)均可滑动地连接于所述导轨(5)，并且，所述加热装置(3)和所述淬冷装置(4)可交替地沿所述导轨(5)滑至所述反应装置(I)的下方。2.根据权利要求1所述的超临界制备石墨烯的装置，其特征在于，所述加热装置(3)包括:加热本体(31)和第一伸缩杆(32);其中， 所述第一伸缩杆(32)的一端与所述导轨(5)滑动连接，所述第一伸缩杆(32)的另一端与所述加热本体(31)相连接。3.根据权利要求1所述的超临界制备石墨烯的装置，其特征在于，所述加热本体(31)为一端开口的加热套。4.根据权利要求1所述的超临界制备石墨烯的装置，其特征在于，所述淬冷装置(4)包括:淬冷本体(41)和第二伸缩杆(42);其中， 所述第二伸缩杆(42)的第一端与所述导轨(5)滑动连接，所述第二伸缩杆(42)的第二端与所述淬冷本体(41)相连接;所述淬冷本体(41)用于冷却所述反应装置(I)。5.根据权利要求4所述的超临界制备石墨烯的装置，其特征在于，所述淬冷本体(41)包括:桶体和冷却液;其中， 所述桶体与所述第二伸缩杆(42)的第二端相连接，所述冷却液置于所述桶体内。6.根据权利要求1至5中任一项所述的超临界制备石墨烯的装置，其特征在于，所述反应装置(I)设置有用于监测内部温度的温度表(6)。7.根据权利要求1至5中任一项所述的超临界制备石墨烯的装置，其特征在于，所述反应装置(I)设置有用于监测内部压力的压力表(7)。8.一种利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法，其特征在于，包括如下步骤: 加料:向所述制备装置中的反应装置内投入有机溶剂和碳质原料； 加热:将所述制备装置中的加热装置置于所述反应装置的下方，所述加热装置对所述反应装置进行加热，直至达到预设温度； 淬冷:在所述有机溶剂和碳质原料反应达到第一反应时间后，移走所述加热装置，并将淬冷装置置于所述反应装置下方对其进行淬冷，直至达到第二反应时间后，移走所述淬冷装置； 重复上述加热步骤和淬冷步骤，直至得到石墨稀。9.根据权利要求8所述的利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法，其特征在于，所述有机溶剂中的含水量为70%?99%。10.根据权利要求8所述的利用上述制备装置进行超临界制备石墨稀的方法，其特征在于，所述预设温度为2500C?6500C，所述第一反应时间为20-50min，所述第二反应时间为20_50mino
【文档编号】C01B31/04GK106044764SQ201610679367
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月17日
【发明人】刘扬, 程乐明
【申请人】新奥科技发展有限公司