Способ получения графена

Настоящее изобретение относится к способу получения графена. Данный способ включает диспергирование исходного графитового материала с получением графенографитного продукта диспергирования в виде содержащей графен и графитовые элементы диспергированной смеси с последующим выделением графена из полученной диспергированной смеси. Диспергирование осуществляют не менее чем в три последовательные ступени диспергирования с применением на каждой ступени диспергаторных устройств, в качестве которых используют сообщающиеся между собой кавитатор и вихревой трубопровод, получая после каждой ступени диспергированную смесь в виде графенографитной дисперсии. Процесс диспергирования осуществляют циклично. После первой ступени осуществляют дегазацию полученной графенографитной дисперсии. После последней ступени осуществляют сепарационное разделение графенографитной дисперсии с выделением графена. Получают графеноводную дисперсию и графитоводную дисперсию, которую подают в загрузочный бак через обратную магистраль для повторного цикла процесса диспергирования с дозированным добавлением воды и графитового материала. Графеноводную дисперсию сушат до получения графена с необходимой консистенцией. Технический результат - повышение производительности процесса получения графена, увеличение выхода графена из исходного материала, повышение качества получаемого графена, снижение энергозатрат и стоимости продукта. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к производству углеродных нано структур, и может быть использовано для получения графена.

Существующие в настоящее время способы получения графена можно разделить на две группы: синтеза и отделения. К первой относятся способы получения графена в электрической дуге, эпитаксиальное выращивание на металлической поверхности. Известные способы являются длительными и дорогостоящими. Ко второй группе относятся способы микромеханическое расслоение графита, жидкофазное расслоение графита (см. Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А. и др. Графен: методы получения и теплофизические свойства. Успехи физических наук, 2011, т. 181, №3, с. 233-250).

Недостатком известных способов является малая производительность, низкое качество получаемого графена и высокая стоимость.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения графена, включающий диспергирование исходного графитового материала с получением графенографитного продукта диспергирования в виде содержащей графен и графитовые элементы диспергированной смеси, выделение графена из полученной диспергированной смеси, после выделения графена из продукта диспергирования осуществляют расщепление графитовых элементов истиранием в барабане, содержащем истирающие элементы, выполненные в виде истирающих роликов, при этом отделение графена из продуктов диспергирования проводят за счет использования гидрофобных свойств графена с применением жидкости, имеющей плотность 1,80-2,3 г/см3. (см патент РФ №2570069 по МПК С01В 32/182, опубл. 10.12.2015).

Недостатком известного способа получения графена является низкая производительность процесса получения графена, низкое качество получаемого графена из исходного графитного материала.

Техническим результатом является повышение производительности процесса получения графена, увеличение выхода графена из исходного графитного материала, повышение качества, получаемого графена, снижение энергозатрат и стоимости продукта.

Технический результат достигается тем, что в способе получения графена, включающем диспергирование исходного графитового материала с получением графенографитного продукта диспергирования в виде содержащей графен и графитовые элементы диспергированной смеси с последующим выделением графена из полученной диспергированной смеси, согласно изобретению диспергирование осуществляют не менее чем в три последовательные ступени диспергирования с применением на каждой ступени диспергаторных устройств, в качестве которых используют сообщающиеся между собой кавитатор и вихревой трубопровод, получая после каждой ступени диспергированную смесь в виде графенографитной дисперсии, причем процесс диспергирования осуществляют циклично, после первой ступени осуществляют дегазацию полученной графенографитной дисперсии, а после последней ступени осуществляют сепарационное разделение графенографитной дисперсии с выделением графена, получая графеноводную дисперсию и графитоводную дисперсию, которую подают в загрузочный бак через обратную магистраль для повторного цикла процесса диспергирования, а графеноводную дисперсию сушат до получения графена с необходимой консистенцией. Диспергирование осуществляют в водной среде, в качестве которой используют дистиллированную воду. Вихревой трубопровод третьей ступени выполнен с возможностью охлаждения. Графитовый материала используют в виде помола.

На чертеже приведена блок-схема технологической линии для пояснения осуществления способа с тремя ступенями диспергирования.

Технологическая линия содержит гидравлически последовательно соединенные и технологически связанные между собой загрузочный бак 1, кавитатор первой ступени 2, вихревой трубопровод первой ступени 3, дегазатор дисперсии 4, вихревой трубопровод второй ступени 5, кавитатор второй ступени 6, охлаждаемый вихревой трубопровод третьей ступени 7, кавитатор третьей ступени 8, а также сепарационный разделитель 9, сообщающийся с баком для графеноводной дисперсии 10 и с обратной магистралью 11, снабженной баком для графитоводной дисперсии 12 и центробежным насосом 13.

Бак для графеноводной дисперсии 10 сообщен через насос 14 с сушилкой 15, представляющую собой емкость с тэнами, через который проходит графеноводная дисперсия. Линия снабжена центробежным насосом 16 после дегазатора дисперсии 4, центробежным насосом 17 после кавитатора второй ступени 6 и центробежным насосом 18 после кавитора третьей ступени 8. Линия также снабжена пусковым вентилем 19, установленным перед баком для графеноводной дисперсии 10. который служит для первоначального заполнения линии водой. Полученный графен поступает на склад готовой продукции 20.

Технологическая линия содержит пульт управления (на чертеже не показан). При сепарационном разделении в качестве сепарационного разделителя 9 используют центробежный разделитель в виде центрифуги.

Сущность изобретения поясняется на примере работы технологической линии с применением графитового материала в виде помола размером частиц до 40 мкм.

При включении технологической линии в работу пусковой вентиль 19 должен быть закрыт. После заполнения линии водой, включая обратную магистраль 11, до необходимого уровня в загрузочном баке 1, пусковой вентиль 19 открывается.

В загрузочный бак 1 дозировано подается графитный материал в виде помола, образуя графитоводную смесь в загрузочном баке 1 в пропорции: вода 20 частей по объему и соответственно графитного материала одна часть (помол графита или оксид графита). Оптимальное соотношение пропорций воды и графитового материала достигнуто в процессе экспериментальных исследований.

Из загрузочного бака 1 графитоводная смесь попадает на кавитатор первой ступени 2, в котором происходит диспергирование графитного материала, причем в процессе диспергирования свободный газ вытесняется водой под действием кавитационных процессов, а именно:

- в зонах повышения давления и сниженных скоростях течения водографитовой смеси происходит эффективное смачивание графита;

- в зонах пониженного давления и повышенных скоростей происходит разрыв жидкости с выделением газов, удерживаемых между слоями графита, что приводит к эффекту расслоения графита (получение монолистов графита);

- в зонах вихреобразования вихревой трубы первой ступени 3 происходит истирание графита во встречных потоках и потоках с разными скоростями образованием микрозон повышенных, пониженных зон давления.

После кавитатора первой ступени 2 полученная графитоводная дисперсия с пузырьками свободного газа поступает в вихревой трубопровод первой ступени 3, в котором образуются вихри с зонами повышенного и пониженного давления, графитоводная дисперсия при движение интенсивно перемешивается и происходит ее расслоение и истирание с выделением графена, после которого образуется графенографитная дисперсия.

Из вихревого трубопровода первой ступени 3 графенографитная дисперсия поступает в дегазатор дисперсии 4, в котором удаляется газ, присутствующий в смеси. После дегазатора дисперсии 4 через центробежный насос 16 дисперсия подается в вихревой трубопровод второй ступени 5, в котором частично происходит расслоение и истирание графита. Затем графенографитная дисперсия подается на кавитатор второй ступени 6, где и происходит основное истирание и разложение графита с получением графена.

При прохождении графенографитной дисперсии через кавитаторы и вихревые трубопроводы в зонах повышенного давления происходит глубокое проникновение воды между слоями графита, а в граничных зонах высокого и низкого давления происходит межслоевой сдвиг отдельных чешуек графита, что приводит к выделению графена в графенографитную дисперсию. Процесс диспергирования сопровождается интенсивным тепловыделением. После кавитатора второй ступени 6 графенографитная дисперсия поступает на центробежный насос 17, а так как скорость выходного потока падает, то на центробежном насосе 17 повышается давление и скорость потока.

Из центробежного насоса 17 графенографитная дисперсия подается в охлаждаемый вихревой трубопровод третьей ступени 7, расположенный в охладителе в виде емкости с холодной водой. Затем графенографитная дисперсия после охлаждения подается на кавитатор третьей ступени 8, в котором происходит более тонкое истирание частиц графита.

После кавитатора третьей ступени 8 графенографитная дисперсия посредством центробежного насоса 18 подается на сепарационный разделитель 9, из которого выходит выделенная графеноводная дисперсия и графитоводная дисперсия.

Графитоводная дисперсия посредством центробежного насоса 13 поступает через обратную магистраль 11 обратно в загрузочный бак 1.

Графеноводная дисперсия посредством насоса 14 подается в сушилку 15, из которой доведенный до необходимой консистенции графен отправляется на склад готовой продукции 20.

В поступающую по обратной магистрали 11 в загрузочный бак 1 графитоводную дисперсию дозировано добавляют воду и помол графита для следующего цикла процесса диспергирования с выделением графена.

Предлагаемый способ осуществляется циклично повторными циклами. Скорость получения графена зависит от качества обрабатываемого сырья, предпочтительней для обработки более мягкие графитовые материалы.

На каждом цикле выделяется графен, а оставшуюся после выделения графена диспергированную смесь в виде графитоводной дисперсии отправляют в загрузочный бак 1 для повторного цикла процесса диспергирования.

В процессе расслоения графитового материала используется ультразвук, возникающий при кавитации, а также механическое истирание за счет соприкосновения частиц графитового материала во встречных потоках и потоках с разными скоростями, создаваемых рабочими органами оборудования и транспортных магистралей.

Предлагаемый способ позволяет повысить производительность процесса получения графена, увеличить выход высококачественного графена, снизить энергозатраты и стоимость продукта.

1. Способ получения графена, включающий диспергирование исходного графитового материала с получением графенографитного продукта диспергирования в виде содержащей графен и графитовые элементы диспергированной смеси с последующим выделением графена из полученной диспергированной смеси, отличающийся тем, что диспергирование осуществляют не менее чем в три последовательные ступени диспергирования с применением на каждой ступени диспергаторных устройств, в качестве которых используют сообщающиеся между собой кавитатор и вихревой трубопровод, получая после каждой ступени диспергированную смесь в виде графенографитной дисперсии, причем процесс диспергирования осуществляют циклично, после первой ступени осуществляют дегазацию полученной графенографитной дисперсии, а после последней ступени осуществляют сепарационное разделение графенографитной дисперсии с выделением графена, получая графеноводную дисперсию и графитоводную дисперсию, которую подают в загрузочный бак через обратную магистраль для повторного цикла процесса диспергирования с дозированным добавлением воды и графитового материала, а графеноводную дисперсию сушат до получения графена с необходимой консистенцией.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диспергирование осуществляют в водной среде, в качестве которой используют дистиллированную воду.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вихревой трубопровод третьей ступени выполнен с возможностью охлаждения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что графитовый материал используют в виде помола.