[发明专利]利用烃前体材料生产石墨烯碳颗粒

说明书

发明领域

本发明涉及石墨烯碳颗粒，更具体地，涉及利用烃前体材料生产这种颗粒。

背景技术

石墨烯是一种具有单原子厚度结构的碳的同素异形体。平面结构包括密集地堆列在蜂窝状晶格中的sp²键合的碳原子。石墨烯式材料通过具有平均几个由sp²键合的碳原子堆叠在一起的单原子厚度的平面片材，而接近这种理想结构。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种用于生产石墨烯碳颗粒的方法，包括引入烃前体材料至加热区，在加热区中加热烃前体材料到至少1000℃的温度以由该烃前体材料中形成石墨烯碳颗粒，和收集石墨烯碳颗粒。

本发明的另一个方面是提供一种用于生产石墨烯碳颗粒的装置，包含烃前体材料源，等离子体室，和至少一个用于输送烃前体材料至等离子体室的进料管线。

本发明的这些和其它的方面通过下面的描述将更加显而易见。

附图的简要说明

图1是示意性流程图，显示了根据本发明的实施方案的由烃前体材料生产石墨烯碳颗粒的方法。

图2是用于根据本发明的实施方案生产石墨烯碳颗粒的等离子体系统的部分示意性纵向剖视图。

图3是根据本发明的实施方案由正丙醇烃前体材料生产的石墨烯碳颗粒样品的拉曼位移对反射系数的光谱图。

图4和图5是对应于图3中的石墨烯碳颗粒的TEM照片。

图6是由乙醇前体材料生产的石墨烯碳颗粒样品的拉曼位移对反射系数的光谱图。

图7和图8是对应于图6中的石墨烯碳颗粒的TEM照片。

图9是由异丙醇前体材料生产的石墨烯碳颗粒样品的拉曼位移对反射系数的光谱图。

图10和图11是对应于图9中的碳颗粒的TEM照片。

图12是由正丁醇前体材料生产的石墨烯碳颗粒样品的拉曼位移对反射系数的光谱图。

图13和图14是对应于图12中的碳颗粒的TEM照片。

图15是由正戊醇前体材料生产的石墨烯碳颗粒样品的拉曼位移对反射系数的光谱图。

图16和图17是对应于图15中的碳颗粒的TEM照片。

图18是由正己烷前体材料生产的石墨烯碳颗粒样品的拉曼位移对反射系数的光谱图。

图19和图20是对应于图18中的碳颗粒的TEM照片。

图21是根据本发明的实施方案从甲烷前体材料中生产的石墨烯碳颗粒样品的拉曼位移对反射系数的光谱图。

图22是对应于图21的石墨烯碳颗粒的TEM显微照片。

详细说明

本发明的某些实施方案涉及用于制造石墨烯碳颗粒的方法和装置，以及由这样的方法和装置生产的石墨烯碳颗粒。本文所用的术语“石墨烯碳颗粒”是指具有以下结构的碳颗粒，该结构包括一层或多层被密集地排列在蜂窝状晶格中的sp²键合的碳原子的单原子厚度的平面片材。堆叠层的平均数量可以小于100，例如，小于50。在某些实施方案中，堆叠层的平均数量为30或更小。该石墨烯碳颗粒可以是基本上平的，但是，该平面片材的至少一部分可以是基本上弯曲、卷曲或褶曲的。该颗粒通常不具有球形或等轴形态。

在某些实施方案中，根据本发明制成的石墨烯碳颗粒，在与碳原子层垂直的方向上测量，具有不超过10纳米的厚度，如不大于5纳米，或者，在某些实施方案中，不超过3或1纳米。在某些实施方案中，该石墨烯碳颗粒可以为1个原子层到10、20或30个原子层，或更多层的厚度。

在某些实施方案中，该石墨烯碳颗粒，在平行于碳原子层的方向上测量，具有至少50纳米的宽度和长度，如超过100纳米，在某些情况下超过100纳米到高至500纳米，或超过100纳米到高至200纳米。该石墨烯碳颗粒可以以超薄片晶或具有大于3：1，如大于10：1的相对较高的纵横比的片材的形式来提供(纵横比被定义为颗粒的最长尺寸与颗粒的最短尺寸之比)。

在某些实施方案中，该石墨烯碳颗粒具有相对低的氧含量。例如，即使具有不超过5或不超过2纳米的厚度，石墨烯碳颗粒可以具有不超过2原子重量％的氧含量，例如不超过1.5或1原子重量％，或不超过0.6原子重量，例如约0.5原子重量％。石墨烯碳颗粒的氧含量可以使用X-射线光电子能谱法来确定，例如在D.R.Dreyer等人的Chem.Soc.Rev.39,228-240(2010)中描述的。