[发明专利]一种低能耗的石墨烯薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种低能耗的石墨烯薄膜的制备方法：(1)煤炭经煤炭分级转化在无氧气氛高温条件下转化生成半焦和高温挥发产物；(2)将高温挥发产物进行分离预处理，得到气相轻质组分；(3)气相轻质组分进入到基于化学气相沉积法的石墨烯生长反应系统，并扩散到系统内生长基底表面，以气相轻质组分中轻质芳香化合物组分为碳源，以气相轻质组分中富氢煤气组分为生产气氛，在设定温度下实现生长基底表面的石墨烯合成生长。该方法通过以煤炭为碳源，利用煤炭分级转化技术获得气相轻质化合物同时为CVD石墨烯烯生长提供碳前驱体以及还原性生长气氛，实现石墨烯低温，低能耗生长，也为煤炭的高附加值利用提供方案参考。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，具体涉及到一种低能耗的石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

基于化学气相沉积法(CVD)石墨烯生长方法由于能实现石墨烯大规模，高质量的生长，是目前最有前景的石墨烯高质量工业化制备方法，具有极大的发展潜力。常规基于CVD的石墨烯生长工艺主要是以甲烷(CH₄)为碳前驱体，以还原性气体氢气(H₂)气氛为石墨烯生长气氛，Cu薄为生长基底，该传统工艺石墨烯生长反应需要较高的反应温度(1000℃以上)，导致石墨烯生长的能耗很高，增加了石墨烯生长过程的工艺复杂程度以及设备的投资费用，石墨烯生长所需的高温以及由此带来的工艺的复杂性及高能耗已经成为石墨烯大规模工业化应用的主要制约因素之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低能耗的石墨烯薄膜的制备方法，通过以煤炭为碳源，利用煤炭分级转化技术获得气相轻质化合物同时为CVD石墨烯烯生长提供碳前驱体以及还原性生长气氛，实现石墨烯低温，低能耗生长，也为煤炭的高附加值利用提供方案参考。

本发明提供的技术方案为：

一种低能耗的石墨烯薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)煤炭经煤炭分级转化在无氧气氛高温条件下转化生成半焦和高温挥发产物；

(2)将高温挥发产物进行分离预处理，从高温挥发产物中分离出液态煤焦油并得到气相轻质组分；

(3)气相轻质组分进入到基于化学气相沉积法(CVD)的石墨烯生长反应系统，并扩散到系统内生长基底表面，以气相轻质组分中轻质芳香化合物组分为碳源，以气相轻质组分中富氢煤气组分为生长气氛，在设定温度下实现生长基底表面的石墨烯合成生长。

在步骤(1)中，所述高温挥发产物主要成分为沥青，多环芳香化合物，单环芳香化合物及富氢还原性混合气。

在步骤(1)中，所述煤炭在还原性气氛或惰性气氛下经蒸馏煤炭分级反应器提质产生高温挥发性产物，所述煤炭分级反应器的加热温度为500-900℃。

优选的，煤炭分级转化反应温度可选900℃，在此温度下煤炭热解产生气相轻质组分中的富氢气氛中氢气的含量更高，同时气相轻质组分中轻质芳香化合物的含量也更高。

在步骤(1)中，所述煤炭分级转化反应器选自煤炭分级转化反应装置可为固定床反应器、流化床反应器或气流床反应器，。

优选的，煤炭分级转化反应器选用固定床反应器，该类型反应器煤炭分级转化反应温和，挥发产物释放速率缓慢，和后续的石墨烯生长反应兼容性好。

在步骤(1)中，所述煤炭为烟煤，所述烟煤水分含量(空气干燥基)不高于2％，所述煤炭的粒径为2～10mm。

优选的，选用煤炭颗粒粒径6-10mm，该粒径范围煤炭颗粒分级转化过程挥发产物释放速率较缓慢，挥发产物中轻质芳香化合物含量高，能促进石墨烯生长。烟煤的挥发分含量较高，经蒸馏提质分级转化可以生成更多可用于石墨烯生长的碳前驱体。

在步骤(2)中，所述分离预处理为冷凝处理，冷凝过程中冷却工质的温度保持在0～-30℃之间。