CN108946710A - 一种基于爆轰工艺制备石墨烯的方法及制备石墨烯的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法及制得大尺寸石墨烯的装置，该方法是以气态碳氢化合物为碳源，混合一定比例的氧气，一起充填在密闭爆轰专用装置中，同时添加适量的固态金属或非金属化合物作为催化剂，将混合气体预热至一定温度和压力，经高能点火装置点火引爆，碳氢化合物在高温高压作用下分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯，氧组份和氢组份结合形成水蒸气。本发明所用原料价格低廉，制成的石墨烯无表面功能团、层数和面积可控，石墨烯收得率高达30％～60％，极其适合于工业化规模生产与应用。

Description

一种基于爆轰工艺制备石墨烯的方法及制备石墨烯的装置

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备，更特别地说，是指一种基于爆轰技术制备大尺寸石墨烯的方法及装置。

背景技术

近年来，石墨烯材料一直是科技创新的前沿领域。因其出色的导电性能、超高的电子迁移率及比表面积、高导热、高透光、高断裂强度及良好的化学稳定性等优势，被誉为21世纪的神奇材料，在众多技术领域的应用前景极为广阔。

目前，石墨烯的主要制备方法有：机械剥离法、化学剥离法、氧化还原法、SiC外延法、化学气相沉积法等。机械剥离法简单易操作，所制备的石墨烯质量高，但此方法制得的石墨烯通常面积较小且效率极低。化学剥离法制备石墨烯过程存在不可控性，制备过程中强酸、强碱等物质的加入破坏了石墨烯sp2结构。氧化还原法制备石墨烯成本较低，但其制备的石墨烯缺陷很多，严重影响其性能。SiC外延法可以制备较大面积单层石墨烯，但制备工艺条件严苛、设备复杂以及单晶SiC基底较为昂贵等因素限制了该种方法的工业化推广。化学气相沉积法具有制备的石墨烯薄膜质量高、层数可控、尺寸大等优点，但其高成本问题仍然制约着石墨烯材料的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种石墨烯的制备方法及设备，制备过程是以气态碳氢化合物为碳源，混合一定比例的氧气，同时添加适量的固态金属或非金属化合物作为催化剂，在适当压力和温度下经高能点火装置点火引爆，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯。本发明方法制备过程快速完成，不涉及任何氧化反应，制备得到的石墨烯sp2晶面结构完整，且制备工艺简单、成本低廉，制备装备可模块化扩展，适用于石墨烯的工业化规模生产。

本发明的一种基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，包括有气源准备、抽真空、气源填充、气源加热、爆轰自组装制石墨烯的工业化生产步骤；

其特征在于：在抽真空之前有催化剂准备步骤；在爆轰自组装制石墨烯之后有泄压收料剔除催化剂步骤；

所述催化剂准备步骤是指催化剂选取和催化剂加装；

采用筛分法或者磁选分离法剔除经爆轰自组装制石墨烯步骤后制得的石墨烯混合粉体中的催化剂。

本发明的一种基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一，气源准备；

选用气态碳氢化合物作为碳源，选用氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门(1)和氧气阀门(2)；调节碳源气体流量计(3)的流速和氧气流量计(4)的流速；

关闭料阀门(6)；

通过第一气压表(15)监测混料室(5)的气压不低于1MPa；

控制碳源气体中的氢组分与氧气的摩尔体积比为2:1～5:1的比例流入混料室(5)中；

步骤二，催化剂加装；

开启爆轰合成室(7)的顶盖，选取固态金属或非金属化合物作为催化剂(8)并均匀撒放在爆轰合成室(7)的底部，合闭并锁紧爆轰合成室(7)的顶盖；

催化剂(8)的用量为均匀铺满爆轰合成室(7)的底部，且厚度为0.3～15mm；

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门(6)和放气阀(13)；开启抽真空机组(14)和管道阀门(12)，将爆轰合成室(7)中的气体抽出，使爆轰合成室(7)上的第二气压表(16)显示的气压值不低于5Pa；

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门(12)和抽真空机组(14)；

开启进料阀门(6)；

控制混料室(5)的气源进入爆轰合成室(7)的时间，气源填充时间为10～30min，监测第二气压表(16)的气压值为0.02～1.0MPa；

混合气体填充完成后关闭进料阀门(6)；

步骤五，爆轰气体预热；

开启预热系统(9)，加热爆轰合成室(7)中的混合气体，通过测温仪(17)采集爆轰合成室(7)的温度至60℃～120℃，且第二气压表(16)的气压不低于0.8MPa；

步骤六，点火引爆；

开启高能点火引爆装置(11)，使爆轰合成室(7)中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

步骤七，爆轰合成室强制冷却；

开启冷却系统(10)使爆轰合成室(7)降温至50℃～25℃；

步骤八，石墨烯收集及剔除催化剂残余物；

开启放气阀(13)，对爆轰合成室(7)进行泄压；

泄压后开启爆轰合成室(7)的顶盖，收集石墨烯混合粉体；

采用筛分法或者磁选分离法剔除石墨烯混合粉体中的催化剂。

本发明的有益效果：本发明提供了一种全新的制备石墨烯的方法和设备，所述的制备方法过程稳定、一致性好，而且制备的石墨烯层数可控、无表面官能团、成品晶体质量更高；所述的制备设备结构简单，无需高温加热系统，能耗很低，可模块化扩展产能，实现石墨烯的工业化大规模生产。

附图说明

图1是本发明基于爆轰工艺制备大尺寸石墨烯的工艺流程图。

图2是本发明基于爆轰工艺制备大尺寸石墨烯的装置结构图。

图2A是本发明中爆轰合成室与加热、冷却系统的一种结构示意图。

图2B是本发明中第二压力表在抽真空至泄压过程中压力控制示意图。

图3是本发明实施例1所得石墨烯粉体的X射线光电子能谱图。

图3A是本发明实施例1所得石墨烯粉体的拉曼光谱图。

图3B是本发明实施例1所得石墨烯粉体的原子力显微镜形貌图和石墨烯微片的厚度轮廓线图。

图4对比实施例1制得石墨烯粉体的原子力显微镜形貌图和石墨烯微片的厚度轮廓线图。

图5是本发明实施例2所得石墨烯粉体的原子力显微镜形貌图和石墨烯微片的厚度轮廓线图。

1.碳源气体阀门	2.氧气阀门	3.碳源气体流量计
			4.氧气流量计	5.混料室	6.进料阀门
7.爆轰合成室	8.催化剂	9.预热系统
			10.冷却系统	11.高能点火引爆装置	12.抽真空管道阀门
13.放气阀	14.抽真空机组	15.第一气压表
			16.第二气压表	17.测温仪

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的一种基于爆轰工艺制备大尺寸石墨烯的方法，包括有气源准备、催化剂准备、抽真空、气源填充、气源加热、爆轰自组装制石墨烯和泄压收料的工业化生产步骤；本发明方法是对现有采用爆轰工艺制备石墨烯工艺的改进，改进之处在于爆轰时在混合气中存在有固态金属或非金属化合物的催化剂，对于抽真空、气源加热、泄压收料为常规处理技术手段。具体地的详细步骤如图2所示：

步骤一，气源准备；

选用气态碳氢化合物作为碳源，选用氧气作为爆燃助剂；用量：碳源气体中的氢组分与氧气的摩尔体积比为2:1～5:1。

开启碳源气体阀门1和氧气阀门2；调节碳源气体流量计3的流速和氧气流量计4的流速；

关闭料阀门6；

通过第一气压表15监测混料室5的气压不低于1MPa；

控制碳源气体中的氢组分与氧气的摩尔体积比为2:1～5:1的比例流入混料室5中。碳源气体和氧气按照一定的摩尔体积比例流入混料室进行混合。该比例的选取原则是让爆轰反应过程始终处于过氢欠氧状态，保障制成石墨烯无表面官能团。

在本发明中，碳源气体和氧气是通过控制流量计(3和4)的流速按照一定的比例流入混料室进行混合，该比例的选取原则是碳源气体中的氢组分的摩尔体积比要大于氧气的摩尔体积比，使得爆轰反应过程始终处于过氢欠氧状态，保障制成的石墨烯无表面官能团。

在本发明的步骤一中，碳源气体可以是气态碳氢化合物，其包含甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烷烃类材料或者乙烯、丙烯和丁烯等烯烃类材料或者乙炔和丙炔等炔烃类材料中的一种或多种；

在本发明的步骤一中，碳源气体也可以为一些常态为液态的碳氢化合物，如芳香烃中的苯、二甲苯、环己烷等，在使用液态类碳氢化合物作为碳源使用时需要辅助的加热汽化装置，使所述液态类碳氢化合物呈气态而被利用。

在本发明中，一方面通过开启碳源气体阀门1、调节碳源气体流量计3，另一方面通过开启氧气阀门2、调节氧气流量计4来控制向混料室5充入碳源和氧气的摩尔比，使混料室5中永远保持为过氢欠氧环境；同时通过第一气压表15来监测混料室5中过氢欠氧环境的压力。

在本发明的步骤一中选用氧气作为燃爆助剂，且氧组份与碳氢化合物中的氢组份在爆轰之后结合成水蒸气，从而保障制成的石墨烯纯度高，无其他表面功能团。

步骤二，催化剂加装；

开启爆轰合成室7的顶盖，选取一定量的固态金属或非金属化合物作为催化剂8并均匀撒放在爆轰合成室7的底部，合闭并锁紧爆轰合成室7的顶盖；催化剂8的用量一般以均匀铺满爆轰合成室7的底部，且厚度为0.3～15mm。

在本发明中，催化剂8可以是固态金属，如金、铂、镍、铁、铜、铝等，也可以是固态非金属化合物，如三氧化二铝、氧化镁、二氧化钛等，也可以是上述金属和非金属化合物的混合物。

在本发明的步骤二中，选取一定量的固态金属或非金属化合物作为催化剂一方面能够提高石墨烯的收得率，另一方面也能使经本发明方法制得的产物石墨烯的尺寸更大。

在本发明中，利用催化剂8的好处是催化剂可以为爆轰反应分解出的凝聚碳和游离碳提供更多的活性表面，有利于碳原子形核结晶和石墨烯生长。若无催化剂8，爆轰反应合成的石墨烯尺寸在300纳米以下，难以充分发挥石墨烯材料的固有特性。本发明中在使用催化剂8的条件下，制成的石墨烯尺寸增大10～80倍，在4～20微米之间，缺陷密度更低，使用性能更为优异。

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门6和放气阀13；开启抽真空机组14和管道阀门12，将爆轰合成室7中的气体抽出，使爆轰合成室7上的第二气压表16显示的气压值不低于5Pa。

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门12和抽真空机组14；

开启进料阀门6；

控制混料室5的混合气体进入爆轰合成室7的时间，一般为10～30min，监测第二气压表16的气压值为0.02～1.0MPa；

混合气体填充完成后关闭进料阀门6；

在本发明的步骤四中，爆轰合成室7中充入的混合气体的压强略低于混料室5，这有利于大尺寸的石墨烯制作。

步骤五，爆轰气体预热；

开启预热系统9，加热爆轰合成室7中的混合气体，通过测温仪17采集爆轰合成室7的温度至60℃～120℃，且第二气压表16的气压不低于0.8MPa；

爆轰合成室7的温度采集由测温仪显示。

在本发明的步骤五中，预热系统9可以是常规的电阻丝加热，也可以是因为设置的爆轰合成室7为中空夹层结构(如图2A所示)，在加热通道中充入高温的有压力的热空气。爆轰合成室7中的混合气体预热至60℃～120℃。效果是一方面提高混合气体的活性，使其更为容易引爆；另一方面预热使整个系统处于较高能量状态下更加有利于大尺寸石墨烯的生长。

步骤六，点火引爆；

开启高能点火引爆装置11，使爆轰合成室7中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

在本发明的步骤六中，高能点火引爆装置11可以是炸药引爆，也可以是电雷管引爆，也可以是高压放电等其他方式引爆。

在本发明中，是利用碳源气体和氧气在适当压力和温度下经高能点火装置点火引爆，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯产物。

步骤七，爆轰合成室强制冷却；

开启冷却系统10使爆轰合成室7降温；

在本发明的步骤七中，须对爆轰反应之后的爆轰合成室7进行强制冷却，使其温度降至50℃～25℃，这有利于进行后续石墨烯的收集。冷却系统10可以是常规的水冷方式，也可以是如图2A的在冷却通道中充入液氮来快速使石墨烯混合粉体冷却。

步骤八，石墨烯收集及剔除催化剂残余物；

开启放气阀13，对爆轰合成室7进行泄压；

泄压后开启爆轰合成室7的顶盖，收集石墨烯混合粉体；

采用筛分法或者磁选分离法剔除石墨烯混合粉体中的催化剂。在本发明中，对制成的石墨烯粉体进行纯度、碳原子层数、面积尺寸和电学性能热学性能等指标进行检测，按不同等级进行分装和标识。

参见图2所示，本发明的一种基于爆轰工艺制备大尺寸石墨烯的装置是依据图1的工业化生产步骤设计的，其包括有气源系统、爆轰自组装石墨烯系统、抽真空系统、预热系统和冷却系统；

气源系统用于提供爆轰制备石墨烯的原料；气源系统包括有存储碳源气体的容器、存储氧气的容器、混料室5、气源管道以及设置在所述气源管道上的阀门、流量计和压力表；

抽真空系统用于提供爆轰合成室7为无氧气环境；抽真空系统设置在爆轰合成室7之后，抽真空系统包括有真空机组14，以及使真空机组14与爆轰合成室7连通的真空管道、设置在所述真空管道上的阀门；

预热系统用于对爆轰合成室7加热；预热系统可以是常规的电阻丝加热，也可以是有压力的高温气体；

冷却系统用于对爆轰合成室7冷却；冷却系统可以是水冷方式，也可以是液氮。

爆轰自组装石墨烯系统在高能点火引爆下完成原料的爆炸，得到石墨烯；爆轰自组装石墨烯系统包括有爆轰合成室7、预热系统9、冷却系统10、高能点火引爆装置11、进料管道；爆轰合成室7通过进料管道与混料室5连通；高能点火引爆装置11安装在爆轰合成室7的上方；爆轰合成室7的外壁从内至外是预热系统9和冷却系统10。如图2A所示爆轰合成室7可以是具有两层空心的结构体。

实施例1

参见图1、图2、图2A、图2B所示，采用乙炔气体作为碳源气体制备石墨烯

步骤一，气源准备；

选用纯度≥99.99％的乙炔气体作为碳源，选用纯度≥99.99％的氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门1和氧气阀门2；调节碳源气体流量计3的流速和氧气流量计4的流速；

关闭料阀门6；

通过第一气压表15监测混料室5的气压为1MPa；

控制使得乙炔和氧气按照2:1的摩尔体积比流入混料室5中；混料室5的容积为50升；

步骤二，催化剂加装；

选用容积20升的爆轰合成室7；开启爆轰合成室7的顶盖，称取20克纯度99.5％、粒径30～50微米的镍粉作为催化剂8均匀撒放在爆轰合成室7的底部，平铺厚度为1mm，合闭并锁紧爆轰合成室7的顶盖；

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门6和放气阀13，开启抽真空机组14和管道阀门12，将爆轰合成室7中的气体抽出，使爆轰合成室7上的第二气压表16显示的气压为5Pa(如图2B)；

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门12和抽真空机组14；开启进料阀门6；混料室5中的混合气体进入爆轰合成室7的时间为20min，监测第二气压表16的气压为0.67MPa(如图2B)，混合气体填充完成后顺次关闭进料阀门6、碳源气体阀门1、氧气阀门2；

步骤五，爆轰气体预热；

预热系统为设置在爆轰自组装石墨烯系统外壁的中空通道；

如图2A，开启预热系统9，向加热通道9A中充入温度为150℃、压力为1MPa的热气体，加热爆轰合成室7中的混合气体，通过测温仪17采集爆轰合成室7的温度达到80℃，且第二气压表16的气压为0.8MPa(如图2B)；

步骤六，点火引爆；

开启采用高压放电方式的高能点火引爆装置11，使爆轰合成室7中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

步骤七，爆轰合成室强制冷却；

冷却系统为设置在预热系统外壁的中空通道；

如图2A，开启冷却系统10，向冷却通道10A中充入液氮，使爆轰合成室7的温度降至45℃；温度通过测温仪17采集；

步骤八，石墨烯收集及筛选剔除催化剂残余物；

开启放气阀13，对爆轰合成室7进行泄压；泄压后开启爆轰合成室7的顶盖，用毛刷和广口瓶等物件将爆轰制成的石墨烯混合粉体进行收集。

将收集的石墨烯混合粉体采用磁选分离法进行纯度、碳原子层数、面积尺寸和电学性能热学性能等指标进行检测，按不同等级进行分装和标识。

经实施例1工业化生产工艺制成石墨烯粉体的X射线光电子能谱图示于图3，拉曼光谱示于图3A，在原子力显微镜形貌图和石墨烯微片的厚度轮廓线图示于图3B。可见制成石墨烯纯度在99％以上，估算其碳原子层数在4～7层之间，微片尺寸大小在4～10微米之间，样品在波数1350.4cm^-1、1565.8cm^-1、2693.3cm^-1处均出现明显拉曼峰。实施例1制得石墨烯粉体收得率能够达到60％。在本发明中，收得率是指制得石墨烯的质量与充填入爆轰合成室7的碳源中碳的质量之间的百分比。

对比实施例1

采用与实施例1相同的工业化生产工艺和用料，不同之处在于不加入催化剂，即纯度99.5％、粒径30～50微米的镍粉。所制得的石墨烯在原子力显微镜形貌图和石墨烯微片的厚度轮廓线图示于图4。微片尺寸大小在100～200纳米之间，且石墨烯粉体收得率为37％。通过图3B与图4的对比，经本发明方法制得的石墨烯尺寸远远大于未加载催化剂下的石墨烯尺寸，故可以称为大尺寸的石墨烯。

实施例2

采用甲烷气体作为碳源气体制备石墨烯

步骤一，气源准备；

选用纯度≥99.99％的甲烷气体作为碳源，选用纯度≥99.99％的氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门1和氧气阀门2；调节碳源气体流量计3的流速和氧气流量计4的流速；

关闭料阀门6；

通过第一气压表15监测混料室5的气压为0.8MPa；

控制使得甲烷和氧气按照4:1的摩尔体积比流入混料室5中；

步骤二，催化剂加装；

选用容积20升的爆轰合成室7；开启爆轰合成室7的顶盖，15克纯度99.5％、粒径30～50微米的铁粉作为催化剂8均匀撒放在爆轰合成室底部，合闭并锁紧爆轰合成室7顶盖；

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门6和放气阀13，开启抽真空机组14和管道阀门12，将爆轰合成室7中的气体抽出，使爆轰合成室7上的第二压力表16的压力值为5.5Pa；

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门12和抽真空机组14；开启进料阀门6；使混料室5中混合气体进入爆轰合成室7的时间为20min，监测第二气压表16的气压为0.3MPa，混合气体填充完成后顺次关闭进料阀门6、碳源气体阀门1、氧气阀门2；

步骤五，爆轰气体预热；

开启预热系统9，加热爆轰合成室7中的混合气体至90℃，且第二气压表16的气压为0.8MPa；

步骤六，点火引爆；

开启采用高压放电方式的高能点火引爆装置11，使爆轰合成室中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

步骤七，爆轰合成室强制冷却；

开启冷却系统10，使爆轰合成室7的温度降至40℃；

步骤八，石墨烯收集及筛选剔除催化剂残余物；

开启放气阀13，对爆轰合成室7进行泄压；开启爆轰合成室7的顶盖，用毛刷和广口瓶等物件将爆轰制成的石墨烯混合粉体进行收集。

将收集的石墨烯混合粉体采用磁选分离法进行纯度、碳原子层数、面积尺寸和电学性能热学性能等指标进行检测，按不同等级进行分装和标识。

经实施例2工艺制成石墨烯粉体的原子力显微镜形貌图和石墨烯微片的厚度轮廓线图示于图5。估算其碳原子层数在5～9层之间，微片尺寸大小在6～12微米之间，本实施例石墨烯粉体收得率为40％。

实施例3

采用环己烷作为碳源气体制备石墨烯

步骤一，气源准备；

选用纯度≥99.99％的环己烷作为碳源，首先将环己烷加热至95℃，使其完全汽化成气体，气体管路组件和混料室5也需要采用电伴热带辅助加热系统预热至95℃；选用纯度≥99.99％的氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门1和氧气阀门2；调节碳源气体流量计3的流速和氧气流量计4的流速；

关闭料阀门6；

通过第一气压表15监测混料室5的气压为1MPa；

控制汽化成气体的环己烷和氧气按照2:1的摩尔体积比流入混料室5中；

步骤二，催化剂加装；

开启爆轰合成室7的顶盖，20克纯度99.5％、粒径30～50微米的铜粉作为催化剂8均匀撒放在爆轰合成室底部，合闭并锁紧爆轰合成室7顶盖；

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门6和放气阀13，开启抽真空机组14和管道阀门12，将爆轰合成室7中的气体抽出，使爆轰合成室7上的第二气压表16的气压为10Pa；

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门12和抽真空机组14，开启进料阀门6，使混料室5中混合气体进入爆轰合成室7的时间为10min，监测第二气压表16的气压为0.5MPa，混合气体填充完成后顺次关闭进料阀门6、碳源气体阀门1、氧气阀门2；

步骤五，爆轰气体预热；

开启预热系统9，加热爆轰合成室7中的混合气体至温度至120℃，，且第二气压表16的气压为1MPa；

步骤六，点火引爆；

开启采用电雷管方式的高能点火引爆装置11，使爆轰合成室中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

步骤七，爆轰合成室强制冷却；

开启冷却系统10，使爆轰合成室温度降低至40℃；

步骤八，石墨烯收集及筛选剔除催化剂残余物；

开启放气阀13，对爆轰合成室进行泄压；开启爆轰合成室7的顶盖，用毛刷和广口瓶等物件将爆轰制成的石墨烯混合粉体进行收集。

将收集的石墨烯混合粉体采用筛选分离法进行纯度、碳原子层数、面积尺寸和电学性能热学性能等指标进行检测，按不同等级进行分装和标识。

经实施例3工艺制成石墨烯粉体的碳原子层数在7～9层之间，微片尺寸大小在8～20微米之间，本实施例石墨烯粉体收得率为55％。

实施例4

采用丙烯气体作为碳源气体制备石墨烯

步骤一，气源准备；

选用纯度≥99.99％的丙烯气体作为碳源，选用纯度≥99.99％的氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门1和氧气阀门2；调节碳源气体流量计3的流速和氧气流量计4的流速；

关闭料阀门6；

通过第一气压表15监测混料室5的气压为0.8MPa；

控制使得丙烯和氧气按照3:1的摩尔体积比流入混料室5中；混料室5的容积为50升；

步骤二，催化剂加装；

开启爆轰合成室7的顶盖，6克纯度99.5％、粒径50～100微米的铝粉，再称取12克纯度99.5％、粒径100～200微米的三氧化二铝粉，两者物质混合作为催化剂8均匀撒放在爆轰合成室底部，合闭并锁紧爆轰合成室7顶盖；

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门6和放气阀13；开启抽真空机组14和管道阀门12；将爆轰合成室7中的气体抽出，第二气压表16的压力为15Pa；

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门12和抽真空机组14，开启进料阀门6，使混料室5中混合气体进入爆轰合成室7，时间为30min，第二气压表16的气压为0.5MPa，混合气体填充完成后顺次关闭进料阀门6、碳源气体阀门1、氧气阀门2；

步骤五，爆轰气体预热；

开启预热系统9，加热爆轰合成室7中的混合气体至100℃，第二气压表16的气压为1.5MPa；

步骤六，点火引爆；

开启采用高压放电方式的高能点火引爆装置11，使爆轰合成室中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

步骤本，爆轰合成室强制冷却；

开启冷却系统10，使爆轰合成室温度降低至30℃；

步骤八，石墨烯收集及筛选剔除催化剂残余物；

开启放气阀13，对爆轰合成室进行泄压；开启爆轰合成室7的顶盖，用毛刷和广口瓶等物件将爆轰制成的石墨烯混合粉体进行收集。

将收集的石墨烯混合粉体采用筛选分离法进行纯度、碳原子层数、面积尺寸和电学性能热学性能等指标进行检测，按不同等级进行分装和标识。

经实施例4工艺制成石墨烯粉体的碳原子层数在4～7层之间，微片尺寸大小在5～8微米之间，本实施例石墨烯粉体收得率为38％。

实施例5

采用乙炔和丙烯的混合气体作为碳源气体制备石墨烯

步骤一，气源准备；

选用纯度≥99.99％的乙炔气体和丙烯气体各一瓶作为碳源，选用纯度≥99.99％的氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门1和氧气阀门2；调节碳源气体流量计3的流速和氧气流量计4的流速；

关闭料阀门6；

通过第一气压表15监测混料室5的气压为1MPa；

控制使得乙炔、丙烯、氧气按照3:1:1的摩尔体积比流入混料室5中；混料室5的容积为50升；

步骤二，催化剂加装；

开启爆轰合成室7的顶盖，5克纯度99.5％、粒径50～100微米的镍粉，再称取12克纯度99.5％、粒径100～200微米的氧化镁粉，两者物质混合作为催化剂8均匀撒放在爆轰合成室底部，合闭并锁紧爆轰合成室7顶盖；

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门6和放气阀13；开启抽真空机组14和管道阀门12；将爆轰合成室7中的气体抽出，使爆轰合成室7上的第二气压表16的气压为5Pa；

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门12和抽真空机组14，开启进料阀门6，使混料室5中混合气体进入爆轰合成室7的时间为20min，第二气压表16的气压为0.5MPa，混合气体填充完成后顺次关闭进料阀门6、碳源气体阀门1、氧气阀门2；

步骤五，爆轰气体预热；

开启预热系统9，加热爆轰合成室7中的混合气体至温度80℃，第二气压表16的气压为1MPa；

步骤六，点火引爆；

开启采用高压放电方式的高能点火引爆装置11，使爆轰合成室中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

步骤七，爆轰合成室强制冷却；

开启冷却系统10，使爆轰合成室温度降低至35℃；

步骤八，石墨烯收集及筛选剔除催化剂残余物；

开启放气阀13，对爆轰合成室进行泄压；开启爆轰合成室7的顶盖，用毛刷和广口瓶等物件将爆轰制成的石墨烯混合粉体进行收集。

将收集的石墨烯混合粉体采用筛选分离法进行纯度、碳原子层数、面积尺寸和电学性能热学性能等指标进行检测，按不同等级进行分装和标识。

经实施例5工艺制成石墨烯粉体的碳原子层数在4～7层之间，微片尺寸大小在5～10微米之间，本实施例石墨烯粉体收得率可达45％。

Claims (9)

1.一种基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，包括有气源准备、抽真空、气源填充、气源加热、爆轰自组装制石墨烯的工业化生产步骤；

其特征在于：在抽真空之前有催化剂准备步骤；在爆轰自组装制石墨烯之后有泄压收料剔除催化剂步骤；

所述催化剂准备步骤是指催化剂选取和催化剂加装；

采用筛分法或者磁选分离法剔除经爆轰自组装制石墨烯步骤后制得的石墨烯混合粉体中的催化剂。

2.根据权利要求1所述的基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一，气源准备；

选用气态碳氢化合物作为碳源，选用氧气作为爆燃助剂；

开启碳源气体阀门(1)和氧气阀门(2)；调节碳源气体流量计(3)的流速和氧气流量计(4)的流速；

关闭料阀门(6)；

通过第一气压表(15)监测混料室(5)的气压不低于1MPa；

控制碳源气体中的氢组分与氧气的摩尔体积比为2:1～5:1的比例流入混料室(5)中；

步骤二，催化剂加装；

开启爆轰合成室(7)的顶盖，选取固态金属或非金属化合物作为催化剂(8)并均匀撒放在爆轰合成室(7)的底部，合闭并锁紧爆轰合成室(7)的顶盖；

催化剂(8)的用量为均匀铺满爆轰合成室(7)的底部，且厚度为0.3～15mm；

步骤三，爆轰合成室排空；

关闭进料阀门(6)和放气阀(13)；开启抽真空机组(14)和管道阀门(12)，将爆轰合成室(7)中的气体抽出，使爆轰合成室(7)上的第二气压表(16)显示的气压值不低于5Pa；

步骤四，爆轰气体充填；

关闭抽真空管道阀门(12)和抽真空机组(14)；

开启进料阀门(6)；

控制混料室(5)的气源进入爆轰合成室(7)的时间，气源填充时间为10～30min，监测第二气压表(16)的气压值为0.02～1.0MPa；

混合气体填充完成后关闭进料阀门(6)；

步骤五，爆轰气体预热；

开启预热系统(9)，加热爆轰合成室(7)中的混合气体，通过测温仪(17)采集爆轰合成室(7)的温度至60℃～120℃，且第二气压表(16)的气压不低于0.8MPa；

步骤六，点火引爆；

开启高能点火引爆装置(11)，使爆轰合成室(7)中的混合气体瞬间发生爆炸，爆轰产生的高温高压作用使碳氢化合物分解出的凝聚碳和游离碳自组装成石墨烯；

步骤七，爆轰合成室强制冷却；

开启冷却系统(10)使爆轰合成室(7)降温至50℃～25℃；

步骤八，石墨烯收集及剔除催化剂残余物；

开启放气阀(13)，对爆轰合成室(7)进行泄压；

泄压后开启爆轰合成室(7)的顶盖，收集石墨烯混合粉体；

采用筛分法或者磁选分离法剔除石墨烯混合粉体中的催化剂。

3.根据权利要求1或2所述的基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，其特征在于：碳源气体可以是气态碳氢化合物，其包含甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烷烃类材料或者乙烯、丙烯和丁烯等烯烃类材料或者乙炔和丙炔等炔烃类材料中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述的基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，其特征在于：碳源气体也可以为一些常态为液态的碳氢化合物，如芳香烃中的苯、二甲苯、环己烷等，在使用液态类碳氢化合物作为碳源使用时需要辅助的加热汽化装置，使所述液态类碳氢化合物呈气态而被利用。

5.根据权利要求1或2所述的基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，其特征在于：催化剂(8)是固态金属，如金、铂、镍、铁、铜、铝等，也可以是固态非金属化合物，如三氧化二铝、氧化镁、二氧化钛等，也可以是上述金属和非金属化合物的混合物。

6.根据权利要求1或2所述的基于爆轰工艺工业化生产石墨烯的方法，其特征在于：制成石墨烯纯度在99％以上；碳原子层数在4～9层之间，微片尺寸大小在4～20微米之间，在波数1350.4cm^-1、1565.8cm^-1、2693.3cm^-1处均出现明显拉曼峰；制得石墨烯粉体收得率为30～60％。

7.依据权利要求1的工业化生产石墨烯方法设计的一种基于爆轰工艺制备石墨烯的装置，该装置包括有气源系统、爆轰自组装石墨烯系统、抽真空系统、预热系统和冷却系统；其特征在于：

气源系统用于提供爆轰制备石墨烯的原料；气源系统包括有存储碳源气体的容器、存储氧气的容器、混料室(5)、气源管道以及设置在所述气源管道上的阀门、流量计和压力表；

抽真空系统用于提供爆轰合成室(7)为无氧气环境；抽真空系统设置在爆轰合成室(7)之后，抽真空系统包括有真空机组(14)，以及使真空机组(14)与爆轰合成室(7)连通的真空管道、设置在所述真空管道上的阀门；

预热系统用于对爆轰合成室(7)加热；

冷却系统用于对爆轰合成室(7)冷却；

爆轰自组装石墨烯系统在高能点火引爆下完成原料的爆炸，得到石墨烯；爆轰自组装石墨烯系统包括有爆轰合成室(7)、预热系统(9)、冷却系统(10)、高能点火引爆装置(11)、进料管道；爆轰合成室(7)通过进料管道与混料室(5)连通；高能点火引爆装置(11)安装在爆轰合成室(7)的上方；爆轰合成室(7)的外壁从内至外是预热系统(9)和冷却系统(10)。

8.根据权利要求7所述的基于爆轰工艺制备石墨烯的装置，其特征在于：预热系统为向加热通道(9A)中充入温度不低于100℃、压力为0.6～1MPa的热气体。

9.根据权利要求7所述的基于爆轰工艺制备石墨烯的装置，其特征在于：冷却系统为向冷却通道(10A)中充入液氮。