[发明专利]磁驱动滑动弧等离子体高压放电连续制备石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种磁驱动滑动弧等离子体高压放电连续制备石墨烯的方法，其是将煤焦油经气化后，送入通有氩气的催化热解炉中，同时在热解炉加入纳米金属或金属氧化物作为催化剂，气态煤焦油与催化剂混合反应产生碳化前驱体，将碳化催化前驱体与氢气一起通入磁驱动滑动弧等离子体放电装置中，通过辅助磁场来产生高密度非热滑动弧等离子体，在高密度非热滑动弧等离子体作用下碳化前驱体转化生成石墨烯；本发明方法成本低、设备简单、无需冷凝，能实现煤焦油向高附加值产物石墨烯的转化。

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种磁驱动滑动弧等离子体高压放电连续制备石墨烯的方法。

背景技术

煤焦油主要通过煤热解炭化过程获得，是炼焦过程中的副产物，其产量占炉内煤的3%-5%。焦油化学结构复杂、稳定性差、热值低，具有毒性，会堵塞管道和设备。而其馏分重、质量差，尤其金属和沥青质量和含量均比较高，煤焦油的综合化学分析及利用是一项艰巨任务。煤焦油因含有大量的多环芳烃族碳氢化合物，可作为碳源制备石墨烯。石墨烯的生产方法较多，常用的方法中机械剥离法，成本低、易操作，但产率和纯度较低，且产物结构不一致；切割碳纳米管法，制备的石墨烯具有高弹性、高拉伸强度，但在溶剂中难熔解易聚集；电弧放电法，生产较容易、不需基板转移、具有高度可重复性，但反应能耗大；化学气相沉积法，成本低、产率高、利于工业化生产，难以定位合适的衬底，石墨烯分子结构易破坏；还原石墨氧化法，操作简单、产量高，但产物存在一定的缺陷；催化热解法制备的石墨烯面积大，均一性较好，但制备工艺尚不成熟，对设备要求苛刻。总体来说，制备石墨烯的物理方法虽合成成本低、技术简单但制备出的石墨烯纯度低、结构不一致，可控性不强。化学法往往因碳前体昂贵、难以定位合适的衬底、产物结构缺陷等使得工业化生产石墨烯受限。

电弧等离子体放电不需催化剂，工艺简单，无污染，但碳源易在高温下开裂产生目标物质的同时还会产生大量副产物，且电弧放电法耗能较高，环境条件较贵。而滑动弧等离子体是一种非热等离子体对电极侵蚀小，且不需要冷却电极。马萨里克大学(Hypergravity synthesis of graphitic carbon nanomaterial in glide arc plasma[J]. Materials Research Bulletin, 2014, 54:61-65.)在超重力条件下，使用甲烷/氦滑行电弧等离子体合成了纳米结构碳材料。由于重力的作用沿着电极滑动电弧放电的滑动运动更加突出，但研究过程低温等离子体发生器使用的是双刀片型电极反应器，存在电弧稳定性较差、反应接触面积小等问题而难以实现工业化。福州大学洪若宇课题组(Continuous preparation and formation mechanism of few-layer graphene bygliding arc plasma[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 387:124102.)报道了用甲烷作碳源滑动弧等离子热解制备少层石墨烯粉末，但由于滑动弧等离子体为非热等离子体，体积小、能量密度低导致系统通量低反应效率低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种磁驱动滑动弧等离子体高压放电连续制备石墨烯的方法，该方法是将煤焦油气化后，送入通有氩气或氦气的催化热解炉中，同时在热解炉加入纳米金属或金属氧化物作为催化剂，气态煤焦油与催化剂混合反应产生碳化前驱体，将碳化催化前驱体与氢气一起通入磁驱动滑动弧等离子体放电装置中，通过辅助磁场来产生高密度非热滑动弧等离子体，在高密度非热滑动弧等离子体作用下碳化前驱体转化生成石墨烯。

本发明气态煤焦油在氩气或氦气条件下初步热解，气态煤焦油中碳氢化合物与催化剂反应，脱氢的同时碳键与催化剂结合生成碳化前驱体，碳化前驱体在磁驱动滑动弧等离子体放电装置中热解开裂、碳原子在高温下结合生成碳团簇、碳链，不断伸长生成大面积石墨烯；用氢来终止悬垂的碳键，并防止石墨烯形成封闭结构，石墨烯产物沉积在磁驱动滑动弧等离子体放电装置底部，在引风机作用下气体及石墨烯进入旋风分离装置，在其底部收集石墨烯产物，气体收集到气体收集罐中。