本發(fā)明涉及碳材料制備，尤其是一種石墨烯負(fù)載納米硅材料及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：：1、鋰電池作為一種有著高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的重要的儲(chǔ)能器件，近年得到了快速發(fā)展。硅具有理論比容量高(4200mah/g)、脫出/嵌入鋰電位低、原料儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新型鋰離子電池的負(fù)極材料。2、近期的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯負(fù)載納米硅材料表現(xiàn)出了更優(yōu)的性能，這主要得益于石墨烯更高的導(dǎo)電性、極大的比表面積以及石墨烯與硅顆粒之間的界面效益，因此石墨烯負(fù)載納米硅材料有望成為性能優(yōu)異的鋰離子電池復(fù)合負(fù)極材料(鋰離子電池負(fù)極用si＠g復(fù)合材料的研究進(jìn)展，化工新型材料，2023，51：23-26)。3、等離子體是區(qū)別于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的第四態(tài)，具有高溫、高焓、高化學(xué)活性等特點(diǎn)。目前，關(guān)于等離子體制備石墨烯納米硅材料的報(bào)道屢見不鮮，如等離子體熱解烴類原料制備石墨烯、等離子體蒸發(fā)粗硅粉制備納米硅等，具有較好的技術(shù)可行性。例如，watanabe等報(bào)道了一種利用射頻等離子體制備碳包覆納米硅粉的方法，該工藝?yán)酶邷厣漕l等離子體蒸發(fā)硅粉制備納米硅粉，同時(shí)利用乙烯急冷硅粉，乙烯熱解形成固態(tài)碳，包覆硅粉形成碳包覆納米硅粉(synthesis?of?carbon-coated?silicon?nanoparticles?by?inductionthermal?plasma?for?lithium?ion?battery，powder?technology，2020，371：26-36)。為了避免碳化硅的形成，該方法對(duì)乙烯的急冷速率要求很高，導(dǎo)致碳結(jié)構(gòu)以無定形碳為主，無法形成石墨烯結(jié)構(gòu)，且該急冷過程涉及乙烯的熱解反應(yīng)，溫度可控性差，產(chǎn)物中往往存在不少碳化硅，影響了產(chǎn)物純度。yang等報(bào)道了以硅納米球?yàn)楣柙?，乙醇為碳源，利用射頻熱等離子體系統(tǒng)制備二維片狀石墨烯負(fù)載納米硅材料的工藝(in-situ?synthesis?of?graphenenanosheets?encapsulated?silicon?nanospheres?by?thermal?plasma?for?ultra-stable?lithium?storage，carbon，2022，199：424-430)。由于納米硅和乙醇在高溫下反應(yīng)，產(chǎn)物中存在不少的si-c鍵、si-o鍵和c-o鍵，影響了產(chǎn)物的純度。且上述方案均在射頻等離子體中進(jìn)行，射頻等離子體相對(duì)較低的效率以及難以放大的缺點(diǎn)也增加了上述方案工業(yè)化的難度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯負(fù)載納米硅材料及其制備方法與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)石墨烯負(fù)載納米硅粉體連續(xù)制備，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；糯蟆?、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：3、第一方面，本發(fā)明公開了一種連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的方法，包括以下步驟：4、向陰極等離子體炬連續(xù)供給石墨粉，產(chǎn)生含石墨烯片的第一射流，同時(shí)，向陽極等離子體炬連續(xù)供給納米硅粉，產(chǎn)生含氣化的硅粉的第二射流；5、將第一射流與第二射流匯聚在一起，再依次經(jīng)過急冷、分級(jí)收集后，即得石墨烯負(fù)載納米硅粉體；其中，所述匯聚處持續(xù)通入工質(zhì)氣體，溫度控制在1500-2000k。若溫度超過2000k，則石墨烯與納米硅反應(yīng)會(huì)形成碳化硅；若溫度低于1500k，則石墨烯和納米硅無法有效穩(wěn)定地結(jié)合。6、進(jìn)一步的方案：雙射流轉(zhuǎn)移弧等離子體炬(陰極等離子體炬和陽極等離子體炬)為直流轉(zhuǎn)移弧等離子體炬。相比于非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬，轉(zhuǎn)移弧等離子體具有更高的電熱轉(zhuǎn)換效率和更高的等離子體溫度，對(duì)石墨剝離形成石墨烯以及硅蒸發(fā)形成硅納米顆粒有促進(jìn)作用。所述陰極等離子體炬、陽極等離子體炬的參數(shù)如下：放電電流為50-1000a，等離子體平均溫度不低于4000k，以保證石墨的有效剝離和硅粉的有效氣化；等離子體工質(zhì)氣體為氬氣、氫氣中的至少一種。氬氣為價(jià)格低廉的惰性氣體，可以避免與石墨、硅的副反應(yīng)，同時(shí)也是最容易維持穩(wěn)定放電的等離子體工質(zhì)氣；氫氣具有還原性，可以除去石墨、硅原料中微量的氧元素，從而提高產(chǎn)物的純度。7、進(jìn)一步的方案：所述石墨粉粒徑為1-10微米，硅粉的粒徑為20-80微米。通過送粉設(shè)備將石墨粉、硅粉連續(xù)送入等離子體炬放電區(qū)域。1-10微米的石墨粉是剝離形成石墨烯的理想原料，而20-80微米的硅粉便于硅粉輸送和蒸發(fā)冷凝形成納米硅粉。8、進(jìn)一步的方案：所述石墨粉和硅粉的質(zhì)量流量比為2-10。通過調(diào)整石墨粉和硅粉的流量比，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯和納米硅相對(duì)含量的調(diào)控。為保證制備的石墨烯負(fù)載納米硅材料具有片層石墨烯的結(jié)構(gòu)特性，以及降低納米硅的過度聚集，硅粉的質(zhì)量流量不易過大；為了保障復(fù)合材料具有納米硅材料的特性，硅的負(fù)載量亦不能太小，因此硅的流量不能太低。優(yōu)選地，石墨粉和硅粉的質(zhì)量流量比為3:1。9、進(jìn)一步的方案：所述急冷的目標(biāo)溫度為80-100℃。10、第二方面，本發(fā)明公開了上述方法所制得的石墨烯負(fù)載納米硅材料，該材料具有由石墨烯負(fù)載納米硅顆粒的片層結(jié)構(gòu)，其中，石墨烯層數(shù)不高于10層，納米硅的粒徑不大于20納米。該石墨烯負(fù)載納米硅粉體材料具有高比表面積、高純凈度和導(dǎo)電性優(yōu)異的特點(diǎn)，可以用作鋰電池負(fù)極材料。11、進(jìn)一步的方案：其比表面積不低于200m2/g。12、第三方面，本發(fā)明公開了上述方法所采用的連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的裝置，包括：13、反應(yīng)室，所述反應(yīng)室上部設(shè)有互成角度的第一接口和第二接口，第一接口中容納有陰極等離子體炬，第二接口中容納有陽極等離子體炬；所述陰極等離子體炬包括陰極載氣進(jìn)口；所述第一接口設(shè)有第一原料進(jìn)口；所述陽極等離子體炬包括陽極載氣進(jìn)口；所述第二接口設(shè)有第二原料進(jìn)口；14、所述反應(yīng)室底部設(shè)有出料口，所述出料口連接有分級(jí)收集機(jī)構(gòu)；15、位于出料口上方的反應(yīng)室設(shè)有冷卻氣接口；16、所述反應(yīng)室上部還設(shè)有指向第一接口和第二接口延長(zhǎng)線交點(diǎn)處的進(jìn)氣口。17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：18、1、本發(fā)明采用等離子體工藝實(shí)現(xiàn)石墨烯負(fù)載納米硅粉體連續(xù)制備，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化放大；19、2、本發(fā)明采用雙射流等離子體炬，通過分別制備石墨烯和納米硅，再經(jīng)過合適溫度復(fù)合的工藝流程，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯和納米硅相對(duì)含量調(diào)控，溫度調(diào)整合理可減少碳化硅的形成；20、3、本發(fā)明所制備的石墨烯負(fù)載納米硅粉體具有兼具石墨烯和納米硅的特性，具有高比表面積、高純凈度和導(dǎo)電性優(yōu)異的有點(diǎn)，在鋰電池負(fù)極材料領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。技術(shù)特征：1.一種連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的方法，其特征在于，所述陰極等離子體炬、陽極等離子體炬的參數(shù)如下：放電電流為50-1000a，等離子體平均溫度不低于4000k，等離子體工質(zhì)氣體為氬氣、氫氣中的至少一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的方法，其特征在于，所述石墨粉粒徑為1-10微米，硅粉的粒徑為20-80微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的方法，其特征在于，所述石墨粉和硅粉的質(zhì)量流量比為2-10。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的方法，其特征在于，所述急冷的目標(biāo)溫度為80-100℃。6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法所制得的石墨烯負(fù)載納米硅材料，其特征在于，其具有由石墨烯負(fù)載納米硅顆粒的片層結(jié)構(gòu)，其中，石墨烯層數(shù)不高于10層，納米硅的粒徑不大于20納米。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的石墨烯負(fù)載納米硅材料，其特征在于，其比表面積不低于200m2/g。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的石墨烯負(fù)載納米硅材料用作硅碳負(fù)極材料的應(yīng)用。9.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法所采用的連續(xù)制備石墨烯負(fù)載納米硅材料的裝置，其特征在于，包括：技術(shù)總結(jié)本發(fā)明公開了一種石墨烯負(fù)載納米硅材料及其制備方法與應(yīng)用，包括以下步驟：向陰極等離子體炬連續(xù)供給石墨粉，產(chǎn)生含石墨烯片的第一射流，同時(shí)，向陽極等離子體炬連續(xù)供給納米硅粉，產(chǎn)生含氣化的硅粉的第二射流；將第一射流與第二射流匯聚在一起，再依次經(jīng)過急冷、分級(jí)收集后，即得石墨烯負(fù)載納米硅粉體；其中，所述匯聚處持續(xù)通入工質(zhì)氣體，溫度控制在1500?2000K。在高溫氛圍中石墨烯和納米硅迅速復(fù)合，通過氣體急冷、分級(jí)收集得到石墨烯負(fù)載納米硅粉體。本發(fā)明通過等離子體工藝實(shí)現(xiàn)了石墨烯負(fù)載納米硅粉體的連續(xù)制備，制備的石墨烯負(fù)載納米硅粉體具有高比表面積、高純凈度和導(dǎo)電性優(yōu)異等特點(diǎn)，可用作硅碳負(fù)極材料。技術(shù)研發(fā)人員：黃興平,陳楓,王俊杰,熊懷海,陳兵,王城受保護(hù)的技術(shù)使用者：新疆峻新化工股份有限公司技術(shù)研發(fā)日：技術(shù)公布日：2025/1/6