Automated Laboratory Kilogram-Scale Graphene Production from Coal

从煤中自动化实验室千克级石墨烯生产

第一作者: Lucas Eddy (Rice University)

通讯作者: James M. Tour (Rice University)

DOI: 10.1002/adma.202300123 | 期刊名称: Advanced Materials | 发表年份: 2023

论文亮点

                开发了自动化闪蒸焦耳加热系统，在1.5小时内从煤基冶金焦中生产1.1千克涡轮层闪蒸石墨烯。
采用脉冲宽度调制技术，改善了石墨烯质量和均匀性，并与其他可扩展石墨烯合成技术进行了比较。

研究背景

闪蒸焦耳加热方法可以在毫秒到秒内将多种碳原料转化为石墨烯，为处理低价值资源（如煤和塑料废物）提供了机会。
传统的石墨烯生产方法（如化学气相沉积）通常局限于毫克级规模，且能效较低，需要多次预处理。
自动化系统可以解决生产规模限制问题，但需要改进放电控制以提高产品质量和能效。

研究方法

本研究开发了一个实验室规模的自动化闪蒸焦耳加热系统，具体方法如下：

使用冶金焦炭作为原料，研磨并筛分至粒径0.8-2毫米。
FJH系统由48个电容组成，总电容为0.624F，电压为500V DC。
采用脉冲宽度调制技术，通过绝缘栅双极晶体管控制电容组放电，频率为1kHz，占空比可调。
自动化系统包括样品加载、电容充电、闪蒸反应和卸载，每批处理5.7克原料，循环时间约20秒。
使用LabVIEW程序控制整个流程，包括PWM参数和自动化操作。
通过拉曼光谱、SEM、XRD和TEM对产品进行表征，评估石墨烯质量。
进行生命周期评估和技术经济分析，比较FJH方法与其它石墨烯合成方法。

主要结论

                PWM技术实现了对电容组放电的更好控制，优化了加热曲线，提高了石墨烯质量和均匀性。
自动化系统允许连续生产，在1.5小时内生产了1.1千克石墨烯，且质量一致。
规模扩大降低了能耗，每克反应物的能量需求减少高达40%，使FJH成为一种成本效益高且能源效率高的可扩展石墨烯合成方法。

            

图1: 生产速率和系统规模

图1. a) 使用FJH工艺的碳材料转换生产速率在前两年的增长情况；b) 规模扩大后的闪蒸系统；c) 自动化系统示意图。

分析结果: 图1a显示生产速率呈指数增长，平均每9周翻倍。图1b和1c展示了能够每批处理10克和5.7克原料的系统组件，包括电容组、控制器和反应室。自动化系统实现了高效连续生产，每循环时间约20秒。

图2: PWM与DC闪蒸的比较

图2. PWM与直接DC闪蒸的反应条件比较。a) 电流曲线；b) 温度曲线。

分析结果: 图2a显示PWM闪蒸的电流峰值低于DC闪蒸（<1000A vs >1500A），减少了设备故障风险。图2b显示PWM闪蒸的表面温度较低（约1850°C）但持续时间较长（约2秒），而DC闪蒸温度高达3000°C但持续时间短（<500ms）。这表明PWM可以通过较低温度和较长时间实现类似的石墨烯质量。

图3: 石墨烯表征

图3. a) D/G拉曼峰强度比比较；b) 2D/G拉曼峰强度比比较；c) 拉曼图谱。

分析结果: 图3a显示PWM-MC-FG的D/G比与未调制DC闪蒸的MC-FG相当，且低于商业石墨烯纳米片，表明缺陷密度较低。图3b显示PWM-MC-FG的2D/G比更高，表明石墨烯质量更好。图3c的拉曼图谱显示产品均匀性高，支持PWM在扩大规模时保持产品质量的优势。

图4: 分散性和TEM分析

图4. a) UV-vis分散图；b) TEM图像。

分析结果: 图4a显示MC-FG在表面活性剂中的分散性较差（0.15 g/L），而CB-FG分散性较好（约3 g/L），优于大多数商业石墨烯。这归因于原料的表面积差异。图4b的TEM图像证实了即使在大规模自动化生产中，石墨烯的晶体质量仍然很高。

图5和6: 规模效应和评估结果

图5. 0.57克和5.7克闪蒸负载的石墨烯质量比较。

图6. a) 生命周期评估结果；b) 技术经济评估结果。

分析结果: 图5显示规模扩大后，获得相同石墨烯质量所需的能量减少，能耗降低高达40%。图6a和6b的比较表明，FJH方法在能源消耗（14 MJ/kg）和成本（$0.16/kg）方面远优于超声剥离（470 MJ/kg, $44/kg）和还原氧化石墨烯（970 MJ/kg, $3600/kg）方法，凸显了FJH的工业应用潜力。