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石墨烯作為化工新材料是目前的研究熱點(diǎn)，其規(guī)模化制備是難點(diǎn)。超重力旋轉(zhuǎn)床作為一種新型反應(yīng)器，在化工過程強(qiáng)化等領(lǐng)域具有總要的應(yīng)用，且無明顯放大效應(yīng)。以超重力旋轉(zhuǎn)床作為石墨（氧化石墨）剝離和還原的反應(yīng)器制備石墨烯，具有效率高、產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用性能好等特點(diǎn)。目前已達(dá)到中試水平。 本技術(shù)屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到用超重力法以石墨為原料制 備高性能石墨烯的方法。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體，是構(gòu)成石墨、碳納 米管、富勒烯等碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度、 高透明度和超大的比表面積及良好的生物相容性，在復(fù)合材料、電子器件、電 能儲存裝置、生物傳感器、催化劑載體等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用效果及前景，是 目前最熱研究領(lǐng)域之一，也有大量的潛在需求。實(shí)現(xiàn)其高性能低成本規(guī)?；?備是其應(yīng)用的前提和保障，因此更是人們關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。 現(xiàn)有的石墨烯制備方法很多，如：機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積、液相剝離法、 化學(xué)氧化-剝離-還原、碳納米管切割以及完全有機(jī)合成等。在這些方法中，機(jī) 械剝離法雖然能得到高性能的石墨烯，但產(chǎn)量很小，主要用于科學(xué)研究；化學(xué) 氣相沉積法雖然可合成量較大的產(chǎn)品，但設(shè)備復(fù)雜且成本較高，限制了其應(yīng)用； 完全有機(jī)合成法得不到大面積的石墨烯片。低成本剝離法和化學(xué)氧化-剝離-還 原法通常以廉價(jià)的石墨為原料，在低溫常壓下進(jìn)行制備，其成本較低且易放大規(guī)模，是石墨烯規(guī)模合成的重點(diǎn)研究方向。 目前用于剝離的裝置主要有超聲波清洗器、微波爐、球磨機(jī)、超臨界裝置 等。在這些裝置中，超聲波清洗器雖然使用的最多，但其剝離時(shí)間長、產(chǎn)率低、 對石墨烯片的晶體完整性和結(jié)構(gòu)破壞大，影響其導(dǎo)電性和其他應(yīng)用性能；微波爐剝離利用微 波爐加熱集中、功率大的特點(diǎn)，加熱使石墨或預(yù)氧化石墨迅速膨脹，達(dá)到剝離 的效果，該方法過程較為劇烈，產(chǎn)物損失不可控，而且所得到的石墨烯缺陷較多；球磨機(jī)制備出來的石墨烯片??；超臨界裝置制備成本高、需要反復(fù)多次剝離才能達(dá)到較好的效果， 不適于規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn))。所以如何找到一種可以大規(guī)模剝離且對石墨烯性能影響小的剝離方 法和裝置是本領(lǐng)域需要解決的一個(gè)問題。 超重力技術(shù)是利用比地球重力加速度大得多的超重力環(huán)境對傳質(zhì)、傳熱過 程和微觀混合過程進(jìn)行強(qiáng)化的新技術(shù)，在地球上通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生模擬的超重力環(huán) 境而獲得。它能夠大幅度提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性，顯著地縮小反應(yīng)器的體 積，簡化工藝、流程，實(shí)現(xiàn)過程的高效節(jié)能，減少污染排放。在超重力旋轉(zhuǎn)床 內(nèi)氣體呈連續(xù)相均勻分布，液體被分散成大量的液滴、液絲和液膜，具有極大 的比表面積。研究表明：在超重力環(huán)境下相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)塔器提高1～3 個(gè)數(shù)量級，微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大強(qiáng)化。超重力過程強(qiáng)化技術(shù)已被大量 用作需要對相間傳遞過程進(jìn)行強(qiáng)化的多相過程，和需要對相內(nèi)或擬均相內(nèi)微觀 混合強(qiáng)化的混合與反應(yīng)過程，并達(dá)到了工業(yè)化水平或中試水平。目前還沒有出 現(xiàn)過將超重力技術(shù)應(yīng)用在石墨領(lǐng)域的例子。 本項(xiàng)目要解決的技術(shù)問題是提供一種超重力法制備石墨烯的方法；通過對 石墨進(jìn)行預(yù)處理，使石墨的層間距增大，之后在超重力旋轉(zhuǎn)床中剝離預(yù)處理石 墨，得到石墨烯；該制備方法簡單易行，低成本、高產(chǎn)量，適合大規(guī)模生產(chǎn)， 具有廣泛的應(yīng)用前景，該方法制備的石墨烯具有很高的導(dǎo)電率和極少的缺陷。 本發(fā)明提供一種超重力法制備石墨烯的方法，包括以下步驟： 1）以石墨為原料，對石墨進(jìn)行預(yù)處理，使石墨的層間距增大，得到預(yù)處 理石墨； 2）在超重力旋轉(zhuǎn)床中剝離預(yù)處理石墨，得到石墨烯。

石墨電極在是冶金化工領(lǐng)域的大宗消耗材料，尤其是在鋼鐵冶金、鋁電解、鎂電解、多晶 硅、稀土冶金等高能耗產(chǎn)業(yè)，電極石墨的電阻率是影響產(chǎn)品能耗的關(guān)鍵因素之一，僅以鎂電解 為例，以目前最大的430kA金屬鎂電解槽來計(jì)算，陽極石墨電阻率每降低1Ωμ. m，將使每噸鎂 直流能耗下降375kWh，其節(jié)能效果十分明顯。目前我國電極石墨的電阻率一般在8-12Ωμ. m， 國外最先進(jìn)指標(biāo)為5Ωμ. m，我國的產(chǎn)品與國外相比差距較大，是造成冶金行業(yè)高能耗的原因之 一。本課題組開發(fā)了新型電極石墨制造工藝與配方，產(chǎn)品電阻率已經(jīng)達(dá)到5.02Ωμ. m,與國際最 好水平相當(dāng)，對促進(jìn)節(jié)能降耗具有重要價(jià)值。 該技術(shù)主要是優(yōu)化了新型石墨配方與制備工藝，大大降低石墨電阻率，同時(shí)提高了石墨電 極強(qiáng)度，經(jīng)過表面處理的石墨電極，抗氧化強(qiáng)度提高了188倍，大大延長石墨電極高溫腐蝕條 件下的使用壽命。

石墨烯因 其 優(yōu)異 的性質(zhì)而 被 譽(yù)為 “ 材料之王 ” ， 在諸多 領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景， 但 距離 真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 還存在諸多 問題和挑戰(zhàn) 。制備決定 未來， 高品質(zhì) 石墨烯薄膜的 可控 制備 一直是學(xué)術(shù)界和業(yè)界關(guān)注的 重點(diǎn) 。 化學(xué) 氣相沉積法（ CVD ） 以 其優(yōu)良 的 可控性和可放大性被 公認(rèn) 為最具前景的石墨烯 薄膜 制備方法， 經(jīng)過 近十年的發(fā)展， 雖然 在單晶尺寸上 取得 了諸多突破性進(jìn)展， 但 CVD 石墨烯的性能 和 理想 水平 仍然有不 小 的差距 ， 這一問題已經(jīng)困擾石墨烯領(lǐng)域很久 。 該研究首次 揭示了 CVD石墨烯 的本征污染問題，提出氣相反應(yīng)調(diào)控的方法，分別使用泡沫銅輔助催化和含銅碳源實(shí)現(xiàn)了超潔凈石墨烯的制備（ Nat ure   Commun .  2019 ,  10 , 1912 ； J. Am. Chem. Soc.   2019 ,  141 , 7670 ）。 對于已存在 本征污染的石墨烯薄膜，他們 巧妙地 使用 二氧化碳 對其進(jìn)行刻蝕 ，而不引入額外缺陷，從而成功 制備出大面積的超潔凈石墨烯薄膜，該 方法與普通CVD工藝完全兼容 （ Angew . Chem.  2019 ,10.1002/ange.201905672 ）。 同時(shí) ，他們探究 了本征污染物與石墨烯之間的相互作用，發(fā)展了基于活性炭的界面力調(diào)控方法，成功實(shí)現(xiàn)了石墨烯的表面清潔（ Adv.  Mater.  2019 , e1902978 ） 。

一、 項(xiàng)目簡介石墨是典型的層狀結(jié)構(gòu)材料，具有良好的導(dǎo)電性，潤滑性，化學(xué)穩(wěn)定性。被廣泛用于冶金、電氣、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。直接使用卻具有密度大，分散度差等缺點(diǎn)。 石墨烯是碳原子緊密堆積成的單層蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是一種二維晶體，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨）的基本單元。其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨材料。石墨烯的理論研究已有 60 多年的歷史，但一直以來，人們普遍認(rèn)為這種嚴(yán)格的二維晶體結(jié)構(gòu)由于熱力學(xué)不穩(wěn)定性而難以獨(dú)立穩(wěn)定存在。直到 2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)的研究組利用膠帶剝離高定向石墨的方法獲得了獨(dú)立存在的二維石墨烯晶體，為二維體系的實(shí)驗(yàn)研究提供了廣闊的空間。目前石墨烯的制備方法有微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、外延生長法、電化學(xué)法、氧化石墨還原法等，其中機(jī)械剝離法得到的石墨烯片量少，隨機(jī)性大；CVD方法和外延生長法大多以SiC作為基底，成本高，可控性差；電化學(xué)方法的得到的石墨烯量較少，不易控制。氧化石墨還原法是通過在石墨表面引入含氧官能團(tuán)，增大層間距，從而減小層之間的范德華力，然后通過超聲等方法改變其雜化狀態(tài)，再通過還原得到石墨烯。氧化石墨還原法以其低成本的優(yōu)點(diǎn)成為目前使用最廣泛的方法之一，本發(fā)明涉及一種采用溶劑熱法在低溫下制備氧化石墨烯的方法，屬于功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域。二、 項(xiàng)目技術(shù)成熟程度目前氧化石墨烯的制備方法主要是Hummers方法。該方法在敞開體系中，需要在制備氧化石墨烯的過程中采用先降溫，再分兩步升溫的三步法, 以及冷凝回流等輔助設(shè)備，過程中需要精確控制反應(yīng)溫度且溫度高達(dá)98 °C，制備出來的氧化石墨烯還需要長時(shí)間超聲，步驟繁瑣，產(chǎn)物的濃度較低，不適合大量生產(chǎn)。本項(xiàng)目采用溶劑熱法在低溫下制備氧化石墨烯，減少了氧化劑的用量和生產(chǎn)時(shí)間。氧化石墨可以通過處理得到具有不同分散特性的母液。也可以直接進(jìn)行還原,得到石墨烯。而且樣品在不干燥的條件下極易溶于水等溶劑，產(chǎn)量較大，大大減少了超聲的時(shí)間。三、 技術(shù)指標(biāo)（包括鑒定、知識產(chǎn)權(quán)專利、獲獎等情況）該項(xiàng)目已經(jīng)申請中國專利并于2013年獲得授權(quán) （ZL201110414315.7），與該項(xiàng)目相關(guān)的工作也在國際期刊上進(jìn)行了發(fā)表，但是仍有很多問題一直困擾商業(yè)化進(jìn)程。我們實(shí)驗(yàn)室也一直在圍繞各種問題開展工作。四、 市場前景（應(yīng)用領(lǐng)域、市場分析等）石墨烯的水熱前驅(qū)體為氧化石墨，具有完全拉伸的層間距和外層表面富氧官能團(tuán)，因此可以根據(jù)需求進(jìn)行各種定向修飾，從而實(shí)現(xiàn)其親水、親油、高分散度、高電導(dǎo)率等特性，作為添加劑可以有效改善化工、冶金、電氣工業(yè)材料的性能，從而實(shí)現(xiàn)高回報(bào)率。五、 規(guī)模與投資需求（資金需求、場地規(guī)模、人員等需求）以石墨為原料，首先需要制備石墨烯的前驅(qū)體氧化石墨，再經(jīng)后處理過程獲得各種性能石墨烯材料。由于后處理過程相對繁瑣， 耗時(shí)耗力，其資金投入完全取決于后處理工藝的優(yōu)化情況。前期投入100萬元，其中包括設(shè)備費(fèi)40萬， 原料費(fèi)10萬， 占地100平米，人員5-10人，完全可以達(dá)到每天生產(chǎn)1公斤石墨烯產(chǎn)品。六、 生產(chǎn)設(shè)備玻璃器皿，反應(yīng)釜， 超純水裝置，烘箱，超聲波設(shè)備，電動攪拌器，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，離心機(jī)等基本設(shè)施。七、 效益分析功能化石墨烯是高附加值產(chǎn)品，目前市場上以克為單價(jià)銷售，價(jià)格在500元左右。以每日1公斤生產(chǎn)量計(jì)算，每天銷售額會達(dá)到50萬元。八、 合作方式多種方式可以選擇，主要是河北工業(yè)大學(xué)負(fù)責(zé)產(chǎn)品研發(fā)升級，企業(yè)一方負(fù)責(zé)生產(chǎn)與銷售。九、 項(xiàng)目具體聯(lián)系人及聯(lián)系方式（包括電子郵箱）項(xiàng)目聯(lián)系人： 任鐵真電話： 022 60204909郵箱： rtz@hebut.edu.cn

過去的十幾年石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)步飛速，然而石墨烯產(chǎn)業(yè)化仍然面臨諸多挑戰(zhàn)和問題。面向石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的制備技術(shù)不是對實(shí)驗(yàn)室制備過程的簡單放大，規(guī)?；苽鋵χ苽浼夹g(shù)的可重復(fù)性、安全性和成本等都提出了更高的要求。盡管從產(chǎn)能上看石墨烯的粉體和薄膜均實(shí)現(xiàn)了宏量化制備。然而，石墨烯產(chǎn)品的生長工藝、原材料、設(shè)備甚至生產(chǎn)批次的不同，得到的產(chǎn)品質(zhì)量和性能參差不齊，且很難達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。以史為鑒，參考另一類戰(zhàn)略性碳材料——碳纖維的產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程可知，材料的品質(zhì)決定了其應(yīng)用前途。最初研發(fā)的碳纖維只能用于釣魚竿等，而今高端碳纖維材料在航天航空領(lǐng)域占據(jù)不可替代的位置，這正是碳纖維的規(guī)?；苽浼夹g(shù)和材料品質(zhì)的不斷提升，推動了碳纖維在高端領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。石墨烯產(chǎn)業(yè)只有努力扎根于材料制備，解決高品質(zhì)材料的規(guī)?；苽鋯栴}，才有美好的應(yīng)用未來。

以石墨烯為模板的少層石墨雙炔薄膜的液相范德華外延生長法。以原子級平整的二維石墨烯為基底，采用極低的單體濃度（0.04 mM），在室溫下進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng)，通過溶液相范德華外延的方法，成功制備得到了大面積均勻連續(xù)的高質(zhì)量、少層石墨雙炔薄膜，高分辨透射電鏡和光譜表征證實(shí)了其高質(zhì)量單晶結(jié)構(gòu)。該石墨雙炔薄膜為ABC堆垛的三層結(jié)構(gòu)，電子衍射顯示石墨雙炔/石墨烯薄膜具有兩套單晶衍射點(diǎn)，分別對應(yīng)于石墨雙炔和石墨烯的單晶衍射圖案，結(jié)果表明生長在石墨烯上的石墨雙炔與下層石墨烯的晶格取向夾角為14°。

成果介紹目前，石墨烯基墨水的制備主要有兩種方案。一種是以氧化石墨烯為前驅(qū)體制備墨水，噴墨打印后對絕緣的氧化石墨烯圖案進(jìn)行還原得到還原的氧化石墨烯進(jìn)而恢復(fù)其電性能。另一種方案是以石墨烯為導(dǎo)電墨水的溶質(zhì)，加入分散劑、粘結(jié)劑、導(dǎo)電助劑等配置墨水實(shí)施打印。由于第一種方案中采用的柔性基底承受溫度一般在400℃以下，導(dǎo)致其導(dǎo)電性無法進(jìn)行大幅度提高，而較高的溫度是修復(fù)缺陷的有效方法，所以本產(chǎn)品是通過調(diào)配低缺陷的RGO、粘結(jié)劑、導(dǎo)電助劑、溶劑等成分來制備石墨烯基導(dǎo)電墨水。本產(chǎn)品將石墨烯優(yōu)異的物理性質(zhì)與印刷電子高效、綠色、大面積以及低成本等優(yōu)勢相結(jié)合，制備了一種導(dǎo)電性、成膜性優(yōu)異的石墨烯基墨水。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及參數(shù)本產(chǎn)品采用高分子材料（如PET、PDMS、SEBS等）作為柔性基底，選用上述體系的導(dǎo)電墨水通過印刷或噴墨打印的方式制備高導(dǎo)電、尺寸可調(diào)、形狀可調(diào)的石墨烯基導(dǎo)電材料。簡單綠色的制備工藝、優(yōu)異的導(dǎo)電性使其適用于多個(gè)領(lǐng)域，如對高分子基底表面進(jìn)行等離子親水性處理制備均勻且靈敏的傳感器，以疊層的形式貼合在皮膚表面，以織物中RFID為接收器，用以監(jiān)測人體的呼吸、運(yùn)動以及心率，保證人們的生命安全；還可以憑借其較低的表面方阻、大尺寸可共形的特點(diǎn)用于大型通訊設(shè)備或可穿戴通訊設(shè)備的電磁防護(hù)。市場前景導(dǎo)電墨水主要分為金屬系導(dǎo)電墨水和碳系導(dǎo)電墨水等，目前市場上使用最多的是銀納米材料的導(dǎo)電墨水，但其原料價(jià)格過于昂貴; 而銅系導(dǎo)電墨水雖然原料價(jià)格相對較便宜，但容易被氧化的性質(zhì)也在一定程度上限制了其應(yīng)用。目前市售的碳系墨水電阻率普遍偏高。利用石墨烯制備高性能的網(wǎng)版印刷墨水有望獲得與銀導(dǎo)電墨水相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性、更好的易用性和穩(wěn)定性，同時(shí)降低墨水成本，從而促進(jìn)柔性印刷電子技術(shù)的發(fā)展。而利用高質(zhì)量的RGO作為導(dǎo)電填料的來源，成本低，易于大規(guī)模、大面積制備，其具備了產(chǎn)業(yè)化的要素。實(shí)施條件未來，利用石墨烯制備高性能的網(wǎng)版印刷油墨有望獲得與銀導(dǎo)電油墨相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性、更好的易用性和穩(wěn)定性，同時(shí)降低油墨成本，從而促進(jìn)柔性印刷電子技術(shù)的發(fā)展。而利用高質(zhì)量的RGO作為導(dǎo)電填料的來源，成本低，易于大規(guī)模、大面積制備，其具備了產(chǎn)業(yè)化的要素。

1、石墨烯基口罩，目前已經(jīng)在新冠病毒防治過程中投入使用，并獲得好評。2、石墨烯基VOC吸附海綿：具有吸附速率快(半小時(shí)吸附甲苯蒸氣可達(dá)自重64.8倍)吸附率高(傳統(tǒng)材料7倍)、脫附簡單徹底等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已用于化工企業(yè)、倉儲企業(yè)等。3、石墨烯基吸油海綿：具有吸附率高、脫附徹底、吸附選擇性高、多次循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛用于分散油及乳化油的破乳分離。4、石墨烯基油/水/固體懸浮物三相分離設(shè)備：具有占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、反沖徹底等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于地表水提標(biāo)改造、污水廠污水處理、自來水/直飲水預(yù)處理、藍(lán)藻處理等。

采用改進(jìn)的Hummers法，插層—膨脹—氧化，避免長時(shí)間超聲處理對氧化石墨烯片的破壞。