本發(fā)明屬于碳材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓制備石墨烯材料的裝置及方法。

背景技術(shù)：

石墨烯(graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。目前，關(guān)于石墨烯的制備主要包括以下幾種方法：機械分離法、氧化石墨還原法、sic熱解外延生長法和化學(xué)氣相沉積法等。其中機械分離法通過機械力把單層石墨片從石墨晶體中剝離出來，這種方法獲得的單層石墨片比較完整，但無法控制單層石墨的尺寸大??；氧化石墨還原法是把氧化的石墨放入到水中進行超聲處理，再加入肼作為還原劑進行回流獲得的，雖然肼是一種強還原劑，但是由于被氧化的石墨較難被還原，從而導(dǎo)致其電學(xué)性能不足，另外，肼是一種劇毒化合物，大量使用對環(huán)境污染較為嚴重；sic熱解法是利用si和c飽和蒸汽壓的不同，通過加熱單晶6h-sic脫去si，從sic表面得到單層石墨，這種方法得到的單層石墨受襯底影響大，c層上的單層石墨有著不錯的導(dǎo)電能力，然而si層上的石墨烯導(dǎo)電性會受到很大影響，并且這種方法生長的單層石墨很難從襯底上分離；化學(xué)氣相沉積法是用金屬或金屬化合物做為襯底，在反應(yīng)腔體內(nèi)充入含碳的氣體，并在高溫下把石墨烯沉積到襯底上的一種方法，這種方法可以實現(xiàn)大規(guī)模的石墨烯制備，但是成本高，時間長。專利（cn201410146634.8）公開了一種高壓制備石墨烯的裝置及方法，其需要將含碳的固態(tài)有機物進行預(yù)壓得到塊狀原材料，再進行一系列的高壓流程,還要進行卸壓冷卻脫模,該方法操作增加成本，且制備時間長，不利于快速工業(yè)化生產(chǎn)。因此，探索石墨烯的制備方法，對其應(yīng)用也非常重要。

高壓作為成分和溫度以外的第三個熱力學(xué)維度，可以改變材料的許多物理和化學(xué)性質(zhì)，如改變材料的形貌、結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，形成常壓下難以得到的新物質(zhì)。近年來，人們在高壓下碳材料的研究方面也進行大量的研究工作，但至今還沒有高壓制備石墨烯材料的裝置及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高壓制備石墨烯材料的裝置及方法，目的在于解決石墨烯制備技術(shù)成本高、時間長、無法快速工業(yè)化生產(chǎn)的問題，實現(xiàn)對石墨烯的制備。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種高壓制備石墨烯材料的裝置，所述裝置為扛溫抗壓容器（1），所述容器為圓柱形結(jié)構(gòu)，分為上下兩部分，上部分為實心壓力管，下部分為容器底座，內(nèi)部空腔（3）可容納氣體；所述實心壓力管外壁緊密貼合容器底座內(nèi)部空腔，且可上下移動，用于快速實現(xiàn)氣體壓縮產(chǎn)生高溫高壓的條件；所述容器底座上端側(cè)壁設(shè)置有氧氣進口（6）、乙炔或乙烯氣體進口（7）；所述容器底座下端側(cè)壁設(shè)置有石墨烯提取出口（8）、剩余氣體出口（9）。

進一步地，所述實心壓力管外徑略小于容器底座內(nèi)徑，以達到緊密貼合的目的，保證實心壓力管在下落過程中，容器底座內(nèi)部空腔處于高溫高壓狀態(tài)。

進一步地，所述氧氣進口，乙炔或乙烯氣體進口，進口帶有密封開關(guān)，且只進不出。

進一步地，所述石墨烯提取出口，剩余氣體出口，出口帶有密封開關(guān)，且只出不進。

進一步地，所述容器內(nèi)氣體在化學(xué)反應(yīng)時，容器處于最大容納氣體，除反應(yīng)氣體外無其他氣體。

進一步地，氧氣和乙炔或乙烯氣體按照體積比3：5-3：10比例注入，對容器進行壓縮，產(chǎn)生高溫高壓條件，生成石墨烯和剩余氣體，先通過剩余氣體出口將氣體抽取，再打開石墨烯提取出口，在容器內(nèi)壁生成的石墨烯材料刮離提取，最后將出口密合，再進行一次氣體抽離，保證無其他氣體進入。

本發(fā)明還提供上述裝置制備石墨烯材料的方法，具體包括以下步驟：

步驟一：在扛溫抗壓的容器內(nèi)通過氧氣進口、乙炔或乙烯氣體進口充入氧氣和乙炔或乙烯氣體；

步驟二：實心壓力管迅速下落，容器底座內(nèi)部空腔處于高溫高壓狀態(tài)，在高壓的條件，氧氣和乙炔或乙烯氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并在容器內(nèi)進行封閉式爆炸，保持狀態(tài)10-30分鐘；

步驟三：容器內(nèi)氣體充分反應(yīng)后，容器進行卸壓降溫處理，打開剩余氣體出口提取剩余氣體；容器底座底部表面形成步驟二中爆炸后黑色產(chǎn)物，通過石墨烯提取出口對黑色產(chǎn)物進行刮離提取，得到石墨烯材料；

步驟四：清理容器，將出口密合，再進行一次氣體抽離，保證無其他氣體進入，循環(huán)步驟一。

步驟一中氧氣和乙炔或乙烯氣體按照體積比3：5-3：10比例注入。

步驟二中壓力p的取值范圍為：200mpa≤p≤600mpa，溫度在200℃-1200℃。

所述制備的石墨烯材料純度較高，生成的石墨烯的厚度為單層、兩層或少層，形貌為球狀、棒狀或片狀；其中少層是指制備得到的石墨烯材料包括3-5層碳結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明未使用任何酸堿及有害試劑，綠色環(huán)保，本發(fā)明方法過程簡單、成本低，耗能節(jié)約，減少化學(xué)污染，并且獲取石墨烯周期時間段，所獲得的多種石墨烯材料重復(fù)性好而且極其容易擴大規(guī)模用于工業(yè)生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高壓制備石墨烯材料的裝置及方法流程圖。

圖2為本發(fā)明高壓制備石墨烯材料的裝置結(jié)構(gòu)示意圖（a-外形圖，b-內(nèi)部拉伸示意圖，c-內(nèi)部壓縮示意圖）。

圖3為本發(fā)明中制備的改性氧化石墨烯的掃描電鏡圖。

圖中：1-扛溫抗壓容器，2-實心壓力管，3-內(nèi)部空腔，4-容器底座，5-石墨烯材料，6-氧氣進口，7-乙炔或乙烯氣體進口，8-石墨烯提取出口，9-剩余氣體出口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明。

實施例1：

如圖2所示，一種高壓制備石墨烯材料的裝置，所述裝置為扛溫抗壓容器1，所述容器為圓柱形結(jié)構(gòu)，分為上下兩部分，上部分為實心壓力管，下部分為容器底座，內(nèi)部空腔3可容納氣體；所述實心壓力管外壁緊密貼合容器底座內(nèi)部空腔，且可上下移動，用于快速實現(xiàn)氣體壓縮產(chǎn)生高溫高壓的條件；所述容器底座上端側(cè)壁設(shè)置有氧氣進口6、乙炔或乙烯氣體進口7；所述容器底座下端側(cè)壁設(shè)置有石墨烯提取出口8、剩余氣體出口9。所述實心壓力管外徑略小于容器底座內(nèi)徑，以達到緊密貼合的目的，保證實心壓力管在下落過程中，容器底座內(nèi)部空腔處于高溫高壓狀態(tài)。所述氧氣進口，乙炔或乙烯氣體進口，進口帶有密封開關(guān)，且只進不出；所述石墨烯提取出口，剩余氣體出口，出口帶有密封開關(guān)，且只出不進。所述容器內(nèi)氣體在化學(xué)反應(yīng)時，容器處于最大容納氣體，除反應(yīng)氣體外無其他氣體。

氧氣和乙炔或乙烯氣體按照體積比3：5-3：10比例注入，對容器進行壓縮，產(chǎn)生高溫高壓條件，生成石墨烯和剩余氣體，先通過剩余氣體出口將氣體抽取，再打開石墨烯提取出口，在容器內(nèi)壁生成的石墨烯材料刮離提取，最后將出口密合，再進行一次氣體抽離，保證無其他氣體進入。

實施例2

如圖1所示，本發(fā)明的高壓制備石墨烯材料的方法，包括以下步驟：

步驟一：在扛溫抗壓的容器內(nèi)通過氧氣進口、乙炔或乙烯氣體進口充入氧氣和乙炔或乙烯氣體；

步驟二：實心壓力管迅速下落，容器底座內(nèi)部空腔處于高溫高壓狀態(tài)，在高壓的條件，氧氣和乙炔或乙烯氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并在容器內(nèi)進行封閉式爆炸，保持狀態(tài)10-30分鐘；

步驟三：容器內(nèi)氣體充分反應(yīng)后，容器進行卸壓降溫處理，打開剩余氣體出口提取剩余氣體；容器底座底部表面形成步驟二中爆炸后黑色產(chǎn)物，通過石墨烯提取出口對黑色產(chǎn)物進行刮離提取，得到石墨烯材料；

步驟四：清理容器，將出口密合，再進行一次氣體抽離，保證無其他氣體進入，循環(huán)步驟一。

步驟一中氧氣和乙炔或乙烯氣體按照體積比3：5-3：10比例注入。

步驟二中壓力p的取值范圍為：200mpa≤p≤600mpa，溫度在200℃-1200℃。

所制備的石墨烯材料純度較高，生成的石墨烯的厚度為單層、兩層或少層，形貌為球狀、棒狀或片狀；其中少層是指制備得到的石墨烯材料包括3-5層碳結(jié)構(gòu)，如圖3所示。