CN107986267A - 一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法及其加热炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石墨烯技术领域，更具体而言，涉及一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法及其加热炉。利用流化床反应方法对还原氧化石墨烯进行热还原重整，延续还原氧化石墨烯制造工艺路线，结合CVD沉积技术和高温下石墨烯片层缺陷处存在活性位点的特点，对还原氧化石墨烯进行缺陷修补和结构重整处理，提高其分子晶体结构的完整性，进而提高其导热导电特性。所述加热炉包括炉体和带有筛网的内管，所述内管设置在炉体内，所述炉体与内管之间设有加热装置，所述内管一端连通有排气管路，内管另一端连通有进气管路，所述进气管路上设有进气口，所述排气管路上设有排气阀和真空泵。本发明提供的技术方法工艺简单、具有较大的工业化推广潜力。

Description

一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法及其加热炉

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，更具体而言，涉及一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法及其加热炉。

背景技术

石墨烯具有优良的电学、光学、物理、化学和结构特性，有着广泛的应用前景。特别是六员环的准二维结构和离域大π键，使其完美晶体具备高达20000cm/(V·s)的电子迁移率和5000W/mK以上的室温平面导热系数，在热电功能材料中具有极高的应用价值。到目前为止，常用的石墨烯制备方法有机械剥离法，化学气相沉积法，碳化硅外延生长法，液相剥离石墨法，氧化石墨烯还原法。但是，对实际应用来说，能够低成本、大规模的制备高品质的石墨烯是至关重要的。在这些方法中，氧化石墨烯还原法具有生产成本低、大规模制备简单、产率高的特点，是一种基本满足上述要求的有效方法。氧化石墨烯还原法是天然鳞片石墨通过Hummer，Brodie，Staudenmaier等方法大规模合成氧化石墨，然后经高温膨化或超声剥离制成氧化石墨烯，再经化学还原获得还原氧化石墨烯粉末或浆料。

目前有制备氧化石墨烯还原方法主要包括化学还原法、高能射线辐射法、溶剂热还原法等。如专利CN201510073801.5公开了一种催化还原氧化石墨烯的方法，先基于氧化石墨烯的盐析效应，将金属盐溶液加入到氧化石墨烯水溶液中，形成絮状悬浮物，然后加入NH₃BH₃，在室温下利用还原出来的金属颗粒来催化NH₃BH₃水解从而在氧化石墨烯表面释放出具有高还原性的初生态氢原子，由氢原子来还原氧化石墨烯，这种化学还原法方法工艺简单，成本低廉，但是化学还原法过程中使用的化学试剂，如氨硼烷、水合肼、硼氢化钠、苯肼以及对苯二酚等，容易产生严重的环境污染。专利CN201610412825.3公开了一种亲疏水性可控的还原氧化石墨烯的制备方法，利用溶剂热反应制备出亲疏水可控的还原氧化石墨烯浆料，这种溶剂热还原法制备过程环境友好、绿色高效，无需添加任何还原剂，但是对实验条件要求严格，不能实现工业化和连续化生产。专利CN201710218841.3公开了一种触发方式的微波辅助高品质还原氧化石墨烯的制备方法利用还原氧化石墨烯、石墨烯粉、或铁钴镍等族金属等触发材料和氧化石墨烯薄层一起，在微波辐射的条件下，经过触发剂和微波的共同作用，使氧化石墨烯被还原，这种高能射线辐射对实验条件要求严格，且会限制样品的尺寸和均匀性。专利CN201610599766.5公开了一种一步法制备还原氧化石墨烯的方法，将氧化石墨烯浆料中直接加入金属还原反应，在同一反应器中一步实现从鳞片石墨到还原氧化石墨烯的制备，这种高温氢气还原法虽然不会对环境造成污染，但是这个过程必须在高温条件下进行。

作为还原氧化石墨烯制备的共同起始过程是天然鳞片石墨制成的插层产物氧化石墨。该反应会对石墨内部的六员环结构产生氧化作用，将-C=C-双键氧化成环氧官能团、羰基和羧基。前者经还原加氢使双键变成单键结构，后者直接使双键断裂，进而六员环结构和大π键遭到破坏，使石墨烯片层实现超高导热导电性能的微观结构遭到破坏，降低其性能指标。上述问题是所有还原氧化石墨烯制备路线均无法避免，所有公开的专利中的改进均集中在还原方法的效率和还原程度的提高方面，仅能控制含氧官能团的数量，无法有效地移除氧化石墨烯含有的含氧官能团，同时对因氧化过程产生的石墨烯片层内部的六员环结构破坏无能为力，无法修复因最初氧化插层造成的的单键以及双键断裂缺陷。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法及其加热炉，解决目前市售还原氧化石墨烯材料结构缺陷多、导热导电性能低等问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法，将还原氧化石墨烯粉料加入加热炉的内管中，在常压下向加热炉的内管中通入氩气20-60min以置换内部空气，置换后内管中保持常压，必要时可通过抽真空充氩气的方法提高置换效果。

加热炉开始升温同时通入氩气；炉温达到400℃时，进行保温；保温后通入氩气和氢气混合气流，同时以5-20℃/min的速度升温到750℃，进行保温；保温后通入氩气、氢气和甲烷混合气，通气时间10-90min，然后关闭氢气和甲烷气，保留氩气以稳定物料在炉内的状态；

物料在氩气中以5-10℃/min的升温速度加热到1000℃，保温40min，然后在惰性气体保护下自然降温到室温得到提质处理后的石墨烯粉料。

所述还原氧化石墨烯粉料指的是氧化石墨烯经还原处理后物料，由直径为5-30微米的寡层石墨烯组成，其中小于3层的石墨烯超过90%；还原氧化石墨烯粉末中直径大于10微米的料大于70%，其真实密度约为1.06g/cm³。

所述的氩气、氢气、甲烷的纯度要求大于99.99%；氩气与氢气混合气间的体积比例为70：10-30，氩气、氢气和甲烷混合气间的体积比例为30-50：20-40：10-30。

所述CVD反应时间以还原氧化石墨烯中的含氧量为参照指标，按照1g氧原子1600-2000ml的常压甲烷通气量设定，即可保证获得导热导电较性能理想的石墨烯产物。

所述加热炉包括炉体和带有筛网的内管，所述内管设置在炉体内，所述炉体与内管之间设有加热装置，所述内管一端连通有排气管路，内管另一端连通有进气管路，所述进气管路上设有进气口，所述排气管路上设有排气阀和真空泵。

所述筛网有两个，且均设置在内管内，所述筛网为300目耐高温筛网。

所述内管为石英玻璃内管或刚玉内管。

所述内管内设有测温热电偶，便于了解和控制内管内温度。

所述内管通过密封块分别与排气管路和进气管路连通，内管除进气管路和排气管路外均密封以保持气密性。

所述加热炉可通过微波辅助或等离子辅助，在进气和物料下层部位设置微波加热或等离子加热装置。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法及其加热炉，利用流化床反应方法对还原氧化石墨烯进行热还原重整，延续氧化石墨—高温膨化—高温氢气还原的工艺路线，结合CVD沉积技术和高温下石墨烯片层缺陷处存在活性位点的特点，对高温氢气还原的氧化石墨烯通过CVD反应活性碳原子进行缺陷修补处理，处理后的石墨烯粉末缺陷明显下降，含氧官能团羟基和羰基大幅度下降。本发明通过立式炉和控制沸腾状的反应物状态使石墨烯在CVD过程中不易发生片层的粘结生长积碳；通过利用碳原子热活化原理使还原氧化石墨烯在缺陷位置产生反应活性位点，然后利用CVD反应，使热解的活性碳原子在活性位沉积以减少石墨烯的结构缺陷，提高其热电性能；通过CVD反应后的高温过程，进一步促进热解碳的石墨化重排，提高分子晶体结构完整性；通过反应中高温惰性气体在工业化放大时可以进行循环利用，以降低能耗和成本费用。本发明工艺简单、设备处理能力强，便于实现工业放大和连续化生产改造、工况参数易于控制。

附图说明

图1是本发明加热炉的结构示意图；

其中：1为炉体，2为筛网，3为内管，4为加热装置，5为排气管路，6为进气管路，7为进气口，8为排气阀，9为真空泵，10为密封块，11为测温热电偶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法，利用流化床反应方法对还原氧化石墨烯进行热还原重整。将还原氧化石墨烯粉料加入加热炉的内管中，在常压下向加热炉的内管中通入氩气20-60min以置换内部空气，置换后内管中保持常压；加热炉以0.5-5℃/min的速度开始升温，同时以30-100ml/min的流量通入氩气，使物料保持微微沸腾样翻滚状态；炉温达到400℃时，进行保温30min；保温后通入氩气和氢气混合气流，同时以5-20℃/min的速度升温到750℃，进行保温10min；保温后以25-40ml/min的流量通入氩气、氢气和甲烷混合气，通气时间10-90min，然后关闭氢气和甲烷气，保留氩气以稳定物料在炉内的状态；物料在氩气中以5-10℃/min的升温速度加热到1000℃，保温40min，然后在惰性气体保护下自然降温到室温得到提质处理后的石墨烯粉料。

所述还原氧化石墨烯粉料指的是氧化石墨烯经还原处理后物料，由直径为5-30微米的寡层石墨烯组成，其中小于3层的石墨烯超过90%；还原氧化石墨烯粉末中直径大于10微米的料大于70%，其真实密度约为1.06g/cm³。

在本实施例中，所述的氩气、氢气、甲烷的纯度要求大于99.99%；氩气与氢气混合气间的体积比例为70：10-30，氩气、氢气和甲烷混合气间的体积比例为30-50：20-40：10-30。

在本实施例中，所述CVD反应时间以还原氧化石墨烯中的含氧量为参照指标，按照1g氧原子1600-2000ml的常压甲烷通气量设定，可保证获得导热导电较性能理想的石墨烯产物。

如图1所示，一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的加热炉包括炉体1和带有筛网2的内管3，所述内管3设置在炉体1内，所述炉体1与内管3之间设有加热装置4，所述内管3一端连通有排气管路5，内管3另一端连通有进气管路6，所述进气管路6上设有三个进气口7，每个进气口7均与进气管路6连通。所述排气管路5上设有排气阀8和真空泵9。

在本实施例中，所述筛网2有两个，且均设置在内管3内，所述筛网2为300目的耐高温筛网，

在本实施例中，所述内管3为石英玻璃内管或刚玉内管，内管内径为40mm。

在本实施例中，所述内管3内设有测温热电偶11，便于了解和控制内管3内温度。可以采用现有技术中温度控制器，将温度控制器与测温热电偶11和加热装置4连接，从而根据温度控制加热装置4。加热装置4可以采用加热带等现有部件。

在本实施例中，所述内管3通过密封块10分别与排气管路5和进气管路6连通，内管3除排气管路5和进气管路6外均密封以保持气密性。

在在本实施例中，所述加热炉可通过微波辅助或等离子辅助，在进气和物料下层部位设置微波加热或等离子加热装置。可以促进甲烷的分解和活化，提高石墨烯上含氧官能团脱除效率和CVD沉积效率。

在本实施例中，红外光谱分析处理前后样品得出处理后石墨烯粉末中的含氧官能团羟基和羰基大幅度下降；拉曼光谱分析处理前后样品，处理后石墨烯粉末G峰变强变尖锐，说明石墨烯缺陷明显下降；石墨烯粉末压片（φ20mm，厚度0.2mm，密度2.05g/cm³）的方块电阻值从3-10Ω/□下降到42-500mΩ/□；测试温度25℃，比热容0.75，压片的导热系数从240W/mK升高到480W/mK

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法，其特征在于，将还原氧化石墨烯粉料加入加热炉的内管中，在常压下向加热炉的内管中通入氩气20-60min以置换内部空气，置换后内管中保持常压；

加热炉开始升温同时通入氩气；炉温达到400℃时，进行保温；保温后通入氩气和氢气混合气流，同时以5-20℃/min的速度升温到750℃，进行保温；保温后通入氩气、氢气和甲烷混合气，通气时间10-90min，然后关闭氢气和甲烷气，保留氩气以稳定物料在炉内的状态；

物料在氩气中以5-10℃/min的升温速度加热到1000℃，保温40min，然后在惰性气体保护下自然降温到室温得到提质处理后的石墨烯粉料。

2.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法，其特征在于，所述还原氧化石墨烯粉料指的是氧化石墨烯经还原处理后物料，由直径为5-30微米的寡层石墨烯组成，其中小于3层的石墨烯超过90%；还原氧化石墨烯粉末中直径大于10微米的料大于70%，其真实密度约为1.06g/cm³。

3.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法，其特征在于，加热炉以0.5-5℃/min的速度开始升温，同时以30-100ml/min的流量通入氩气，使物料保持微微沸腾样翻滚状态。

4.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法，其特征在于，炉温达到400℃时，保温时间为30min；升温到750℃时，保温时间为10min。

5.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯粉末提质改性的方法，其特征在于，氩气与氢气混合气间的体积比例为70：10-30，氩气、氢气和甲烷混合气间的体积比例为30-50：20-40：10-30。

6.根据权利要求1所述方法采用的加热炉，其特征在于：所述加热炉包括炉体（1）和带有筛网（2）的内管（3），所述内管（3）设置在炉体（1）内，所述炉体（1）与内管（3）之间设有加热装置（4），所述内管（3）一端连通有排气管路（5），内管（3）另一端连通有进气管路（6），所述进气管路（6）上设有进气口（7），所述排气管路（5）上设有排气阀（8）和真空泵（9）。

7.根据权利要求6所述方法采用的加热炉，其特征在于：所述筛网（2）有两个，且均设置在内管（3）内，所述筛网（2）为300目筛网。

8.根据权利要求6所述方法采用的加热炉，其特征在于：所述内管（3）为石英玻璃内管或刚玉内管。

9.根据权利要求6所述方法采用的加热炉，其特征在于：所述内管（3）内设有测温热电偶（11），便于了解和控制内管（3）内温度。