[发明专利]量子碳素及其制备方法和实施设备

说明书

技术领域

本发明涉及量子碳素及其制备方法和实施设备，尤其是涉及利用电化学阳极氧化方法对石墨碳阳极板进行氧化制备单碳、石墨烯、多层石墨碳、碳氢化合物混合物及单质的方法及其实施设备。 

背景技术

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，其厚度只有一个单碳原子的厚度，即0.335纳米，其碳碳键长为0.142nm。石墨烯拥有其他材料所不具备的特殊性能，因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，被期待用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，又由于石墨烯是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。目前，石墨烯是在国防、航空、科研、电子、环保、节能、医疗等传统领域和新兴领域都有应用，有着巨大的市场需求。 

基于石墨烯的特殊性能和广泛用途，石墨烯生产制备方法得到快速发展，目前主要有机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。其中利用碳氧化制备的方法就有很多，如用浓硝酸、浓硫酸、硝基腐蚀酸、次氯酸钾或过锰酸钾等氧化剂对碳原料进行氧化，还有如臭氧氧化、放电氧化、等离子放电氧化等。但上述各种氧化方法都存在工艺烦琐、能耗过高等问题，如通过氧化剂进行氧化的生产方法需要进行中和酸性工艺，需去除碳液中的非碳粒子或催化用金属等有害杂质，技术要求过高，控制不当很容易出现团聚现象，很难保证产品质量。上述生产制备石墨烯的方法因工艺烦琐、设备太复杂、不易控制，使石墨烯的普及应用受到极大限制。 

发明内容

本发明的目的是提供一种量子碳素及其制备方法和实施设备。具有工艺简单、成本低廉、易于控制、没有污染的优点。 

一种量子碳素，包括粒径为0.6-100nm的碳素粒子，所述碳素粒子为单碳和/或石墨烯粒子，在所述碳素粒子的表层具有含有碳、氢、氧、氮的化合物，所述含有碳、氢、氧、氮的化合物包括稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物。 

本发明所述的量子碳素，其中所述量子碳素由如下质量百分比的碳素粒子构成：0.6≤粒径≤0.9nm的碳素粒子50％～95％、0.9＜粒径＜50.0nm的碳素粒子10％～50％、50≤粒径≤100nm的碳素粒子0％～20％；所述含有碳、氢、氧、氮的化合物为稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物的一种或几种的混合物，其中各元素比例为：C 45％～55％，H 0.2％～2.0％，N 0.1％～0.3％，O 45％～65％。 

一种量子碳素液，其中所述量子碳素液为含有量子碳素的水溶液，所述量子碳素液的ORP为280mv-380mv、电导率σ为1-5ms/cm、电动势为280mv～380mv、pH值为1.5-3.2、浓度为0.1％-0.45％。 

为解决现在技术中生产制备石墨烯的工艺烦琐、设备太复杂、不易控制的技术问题，本发明中制备量子碳素的实施设备包括制备系统、分级系统、储备系统和控制系统，制备系统由第一循环泵、微泡发生装置、电化学阳极氧化装置、超声波发射装置、第二循环泵、磁控装置、混合物储存罐、参数调整装置依次首尾连通构成，第一循环泵设有进料口。 

分级系统包括第一输送泵、第二输送泵、高速离心泵组和真空干燥箱；储备系统包括量子碳素混合液储存罐、石墨烯混合液储存罐、多层石墨碳混合液储存罐、碳氢结构体混合液储存罐和量子碳素粉体储存罐。 

第一输送泵的进口与混合物储存罐连通，第一输送泵的出口通过连通管路与量子碳素混合液储存罐连通；第二输送泵的进口与混合物储存罐连通，第二输送泵的出口分别与高速离心泵组和真空干燥箱的进口连通；高速离心泵组的出口分别与石墨烯混合液储存罐、多层石墨碳混合液储存罐和碳氢结构体混合液储存罐连通；真空干燥箱的出口与量子碳素粉体储存罐连通。