一種利用低階煤制備石墨烯薄膜的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用低階煤制備石墨烯薄膜的裝 置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是世界上煤炭生產(chǎn)及消費(fèi)的第一大國(guó)，煤炭消費(fèi)總量占世界總消費(fèi)量的30% 以上，煤炭消費(fèi)在我國(guó)能源消費(fèi)中的比例高達(dá)76. 7 %。大量煤炭直接燃燒利用，不僅造成了 嚴(yán)重的環(huán)境破壞和污染，限制了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也直接導(dǎo)致了煤炭這一不可再生碳資 源的極大浪費(fèi)。
[0003] 作為煤炭資源大國(guó)的中國(guó)，合理、高效利用煤炭資源，充分利用煤自身結(jié)構(gòu)和組成 特征，提高煤炭利用的附加值是現(xiàn)階段我國(guó)需要解決的關(guān)鍵問題。石墨烯作為新型的碳材 料，由于其特殊的性能及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而受到了極大地關(guān)注，因此，如果能夠?qū)⑻烊惶假Y 源------煤炭，特別是在我國(guó)儲(chǔ)量較大、利用難度較高的低階煤加以利用，通過一定方法 制備出高品質(zhì)石墨稀薄膜，無疑會(huì)給碳材料的發(fā)展及低階煤的高效利用帶來新的契機(jī)。
[0004] 石墨烯是碳原子緊密排列成的具有單層蜂窩狀結(jié)構(gòu)的一種新型碳材料，其厚度僅 為0. 335nm，僅相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的20萬分之一，是構(gòu)建零維富勒烯、一維碳納米管、三維 石墨等其他維數(shù)碳材料的基本單元。在2004年，曼徹斯特大學(xué)的Geim小組首次用機(jī)械剝 離法成功制備出了單層或薄層的新型二維原子晶體一一石墨烯。研宄者在膠帶上黏上一層 石墨薄片，把有粘性的一面對(duì)折相接觸，再把膠帶撕開，石墨薄片就這樣克服了層與層之間 的引力而被一分為二，通過不斷重復(fù)這個(gè)過程，石墨薄片會(huì)越來越薄，直至得到少層乃至單 層的石墨烯，而且可以很穩(wěn)定的存在于外界環(huán)境中。
[0005] 不同于機(jī)械剝離法的繁瑣，化學(xué)氣相沉積（CVD)法是指把反應(yīng)物在氣態(tài)條件下及 反應(yīng)所需其它氣體（多為保護(hù)氣）引入反應(yīng)室，在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積在固體基 底表面上，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。
[0006] 目前比較普遍的CVD裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜，有真空系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，造價(jià)昂貴。傳統(tǒng)的 CVD法制備石墨烯也主要是以氣體原料作為碳源，近年也有用醇類、苯及其衍生物和PMMA 作為液相及固相碳源制備石墨烯的研宄出現(xiàn)。截止目前，尚未發(fā)現(xiàn)任何采用低階煤為原料， 通過CVD法制備煤基石墨烯的相關(guān)技術(shù)見諸報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用低階 煤制備石墨烯薄膜的裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)新穎合理，實(shí)現(xiàn)方便，實(shí)用性強(qiáng)，使用效果 好，便于推廣；通過設(shè)置三通管件，使反應(yīng)氣在石英管外充分混合，有利于石英管內(nèi)的化學(xué) 氣相沉積反應(yīng)的進(jìn)行；通過在進(jìn)氣塞上水平穿設(shè)兩端均開口的通管，并在通管上位于石英 管外側(cè)部分安裝閥門，使用過程中可打開閥門，采用推桿等穿過通管可對(duì)位于石英管內(nèi)的 第二瓷舟的位置進(jìn)行調(diào)整，操作方便簡(jiǎn)單。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種利用低階煤制備石墨烯薄 膜的裝置，其特征在于，包括水平管式爐、石英管、氬氣儲(chǔ)罐、氫氣儲(chǔ)罐和三通管件，所述石 英管活動(dòng)設(shè)置于水平管式爐的剛玉管中且石英管的兩端均位于水平管式爐外，所述石英管 內(nèi)設(shè)置有用于盛裝基底的第一瓷舟和用于盛裝煤粉的第二瓷舟，所述石英管的一端設(shè)置有 進(jìn)氣塞，石英管的另一端設(shè)置有排氣塞，所述排氣塞上開設(shè)有排氣口，所述進(jìn)氣塞上開設(shè)有 與混合氣體管路相連通的進(jìn)氣口，所述混合氣體管路與三通管件的第一通路連接，所述三 通管件的第二通路通過氬氣管路與氬氣儲(chǔ)罐連接，所述三通管件的第三通路通過氫氣管路 與氫氣儲(chǔ)罐連接，所述進(jìn)氣塞上水平穿設(shè)有兩端均開口的通管，所述通管位于石英管外側(cè) 部分安裝有閥門。
[0009] 上述的一種利用低階煤制備石墨烯薄膜的裝置，其特征在于，所述混合氣體管路 上設(shè)置有混合氣體流量計(jì)，所述氬氣管路上設(shè)置有氬氣流量計(jì)，所述氫氣管路上設(shè)置有氫 氣流量計(jì)。
[0010] 上述的一種利用低階煤制備石墨烯薄膜的裝置，其特征在于，所述水平管式爐的 兩側(cè)設(shè)置有用于支撐石英管的支撐架，所述排氣口處設(shè)置有排氣管。
[0011] 上述的一種利用低階煤制備石墨烯薄膜的裝置，其特征在于，還包括用于向水平 管式爐內(nèi)通入空氣的冷卻管道，所述冷卻管道的進(jìn)氣端與空氣泵的出氣口連接，冷卻管道 的出氣端設(shè)置于石英管與水平管式爐的剛玉管之間。
[0012] 另外，本發(fā)明還提供了一種采用上述裝置制備石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0013] 步驟一、打開石英管的進(jìn)氣塞，將盛裝有基底的第一瓷舟和盛裝有煤粉的第二瓷 舟均裝入石英管中，其中第一瓷舟位于石英管的中部位置，第二瓷舟位于靠近進(jìn)氣塞的位 置，然后裝好進(jìn)氣塞并使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；所述基底為銅箔；所述煤粉為脫灰后的低階 煤煤粉；
[0014] 步驟二、打開氬氣儲(chǔ)罐，向石英管中通入氬氣置換石英管內(nèi)的氣體；
[0015] 步驟三、將水平管式爐加熱至爐內(nèi)加熱溫區(qū)的溫度為950°C~1000°C，然后調(diào)整 石英管的位置使第一瓷舟位于水平管式爐的加熱溫區(qū)，打開氫氣儲(chǔ)罐，對(duì)第一瓷舟內(nèi)的基 底進(jìn)行還原處理；
[0016] 步驟四、還原處理結(jié)束后，打開閥門，使用推桿穿過通管將第二瓷舟推至水平管式 爐的加熱溫區(qū)，在氬氣流量和氫氣流量均為30mL/min~80mL/min的條件下進(jìn)行化學(xué)氣相 沉積處理；
[0017] 步驟五、化學(xué)氣相沉積處理結(jié)束后，停止加熱水平管式爐，調(diào)節(jié)氬氣流量為ISOmL/ min~220mL/min并關(guān)閉氫氣儲(chǔ)罐，冷卻后在基底表面得到石墨稀薄膜。
[0018] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述銅箔的厚度為20 μπι~50 μπι。
[0019] 上述的方法，其特征在于，步驟二中所述氬氣的流量為180mL/min~220mL/min， 置換的時(shí)間為20min~40min。
[0020] 上述的方法，其特征在于，步驟三中所述還原處理的氫氣流量為180mL/min~ 220mL/min，還原處理的時(shí)間為IOmin~20min。
[0021] 上述的方法，其特征在于，步驟四中所述化學(xué)氣相沉積處理的時(shí)間為20min~ 40min〇
[0022] 上述的方法，其特征在于，步驟五中所述冷卻的降溫速率不大于10°C /min。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1、本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)新穎合理，實(shí)現(xiàn)方便，實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，便于 推廣；通過設(shè)置三通管件，使反應(yīng)氣在石英管外充分混合，有利于石英管內(nèi)的化學(xué)氣相沉積 反應(yīng)的進(jìn)行；通過在進(jìn)氣塞上水平穿設(shè)兩端均開口的通管，并在通管上位于石英管外側(cè)部 分安裝閥門，使用過程中可打開閥門，采用推桿等穿過通管可對(duì)位于石英管內(nèi)的第二瓷舟 的位置進(jìn)行調(diào)整，操作方便簡(jiǎn)單。
[0025] 2、本發(fā)明的裝置優(yōu)選在石英管與水平管式爐的剛玉管之間設(shè)置冷卻管道，在化學(xué) 氣相沉積反應(yīng)結(jié)束后可加快降溫速率。
[0026] 3、本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的主要以氣體作為碳源的方法，直接以煤炭作為碳源，原料 廉價(jià)易得，制備過程中將煤粉置于管式爐的加熱溫區(qū)，在高溫環(huán)境中煤有機(jī)大分子發(fā)生分 解，分解產(chǎn)物在接觸高溫基底后進(jìn)一步發(fā)生二次分解，所生成的碳原子在基底表面沉積，并 以Sp 2雜化的方式形成石墨烯薄膜。
[0027] 4、本發(fā)明通過將煤炭這種化石能源向碳材料轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了能源的高效功能化利 用，方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備成本低，借助常規(guī)技術(shù)資源即可制備出質(zhì)量?jī)?yōu)良的煤基石墨烯。
[0028] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明石英管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備的石墨烯薄膜的拉曼光譜圖。
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的石墨烯薄膜的光學(xué)顯微鏡圖片。
[0033] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片。
[0034] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例2制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡高度圖片。
[0035] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例3制備的石墨烯薄膜的拉曼光譜圖。
[0036] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例3制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片。
[0037] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例3制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡高度圖片。
[0038] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例4制備的石墨烯薄膜的拉曼光譜圖。
[0039] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例4制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片。
[0040]圖12為本發(fā)明實(shí)施例4制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡高度圖片。
[0041]圖13為本發(fā)明實(shí)施例5制備的石墨烯薄膜的拉曼光譜圖。
[0042] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例5制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片。
[0043] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例5制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡高度圖片。
[0044]圖16為本發(fā)明實(shí)施例6制備的石墨烯薄膜的拉曼光譜圖。
[0045] 圖17為本發(fā)明實(shí)施例6制備的石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片。
[0046] 圖18為本發(fā)明實(shí)施例6制備