一種規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯制備裝置，尤其是涉及一種規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置。其主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的機(jī)械剝離法和外延生長(zhǎng)法制備石墨烯不宜大規(guī)模生產(chǎn)，氣相沉積法制備石墨烯產(chǎn)品價(jià)格昂貴，氧化還原法剝離制備石墨烯在氧化過程中石墨烯蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，得到膜的電阻值遠(yuǎn)高于ITO的要求等的技術(shù)問題。本發(fā)明包括電解槽（1），所述的電解槽（1）的上端設(shè)有固定桿（2），固定桿上固定有一對(duì)金屬塊（3），兩個(gè)金屬塊上分別連接有石墨工作電極（4）、鉑絲電極（5），石墨工作電極、鉑絲電極伸入到電解槽內(nèi)，兩個(gè)金屬塊通過導(dǎo)線連接交流電源（6）。
【專利說明】一種規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯制備裝置，尤其是涉及一種規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨稀具有聞的導(dǎo)熱率、聞的內(nèi)在電子遷移率、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、柔朝的彈性和良好的導(dǎo)電性，已經(jīng)引起各國(guó)極大的關(guān)注。由于現(xiàn)代電子設(shè)備，包括觸摸屏、顯示器、電子打印、光發(fā)射器及太陽能電池都需要依靠透明導(dǎo)電氧化物(TCOs)，然而，這些膜的脆性，嚴(yán)重限制了它們?cè)谠O(shè)備上的應(yīng)用，迫切需要尋求有前途的替代產(chǎn)品。石墨烯是光學(xué)透明的強(qiáng)導(dǎo)電材料，它只吸收2.3%的可見光，因此已被認(rèn)為是替代銦錫氧化物(ITO)的非常有前途的材料。現(xiàn)有石墨烯制備方法:有機(jī)械剝離法和外延生長(zhǎng)法、氣相沉積法、氧化還原法等，其中機(jī)械剝離法和外延生長(zhǎng)法雖具有高品質(zhì)性，但不宜大規(guī)模生產(chǎn)，氣相沉積法能顯示出較大面積石墨烯，但產(chǎn)品價(jià)格昂貴，氧化還原法剝離制備石墨烯，雖由于潛在的低成本和液相加工制造優(yōu)點(diǎn)，然而石墨烯在氧化過程中蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，得到膜的電阻值遠(yuǎn)高于ITO的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是提供一種規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的機(jī)械剝離法和外延生長(zhǎng)法制備石墨烯不宜大規(guī)模生產(chǎn)，氣相沉積法制備石墨烯產(chǎn)品價(jià)格昂貴，氧化還原法剝離制備石墨烯在氧化過程中石墨烯蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，得到膜的電阻值遠(yuǎn)高于ITO的要求等的技術(shù)問題。
[0004]本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:
本發(fā)明的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，包括電解槽，所述的電解槽的上端設(shè)有固定桿，固定桿上固定有一對(duì)金屬塊，兩個(gè)金屬塊上分別連接有石墨工作電極、鉬絲電極，石墨工作電極、鉬絲電極伸入到電解槽內(nèi)，兩個(gè)金屬塊通過導(dǎo)線連接交流電源。
[0005]石墨是層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子分別與相鄰的三個(gè)碳原子以共價(jià)鍵的形式形成牢固的六角網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)，層與層之間依靠類似的金屬η鍵和范德華力連接，在過去，可膨脹石墨制備用甲酸或硫酸的化學(xué)方法插入層中，快速加熱，釋放出猛力的嵌入物SO4，但是，此法大部分脫落的石墨烯薄片還是厚度比較厚的。
[0006]為了求得高效剝離石墨烯，對(duì)可作電解液的各種酸進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。例如例如甲酸、硫酸、鹽酸、氫溴酸、硝酸等，得知只有硫酸作為電解液，才能出現(xiàn)理想的剝離效率。但是硫酸本身會(huì)導(dǎo)致石墨烯氧化而產(chǎn)生缺陷，為了減少硫酸對(duì)石墨烯的氧化，在硫酸溶液中加入KOH溶液，以降低電解質(zhì)溶液的酸度，緩解對(duì)石墨烯的氧化。故每小電解槽中的電解液為
2.4克至4.8克H2SO4 (98%)加入IOOmL去離子水稀釋，并再加入llmL30%的KOH溶液，使其PH值為10~12。然后，用電化學(xué)法高效剝離制備高質(zhì)量石墨烯，其步驟如下:
⑴將自制可調(diào)交流電源上正、負(fù)極接線與各電解槽的正負(fù)電極相連接；⑵將配制好的上述K2SO4電解液，以每槽120mL加入小電解槽中；
⑶先通靜置電壓2.5V，持續(xù)I分鐘，讓電解液浸潤(rùn)到石墨晶體晶界中去；
⑷然后，施加交替電壓，先+IOV時(shí)間2秒，即刻轉(zhuǎn)為-1OV時(shí)間5秒；如此重復(fù)施加交替電壓，時(shí)間約10分鐘或直至石墨電極完全消耗為止。
[0007](5)將各電解槽中全部懸浮在電解液表面上的石墨烯薄片收集起來，用IOOnm過濾真空過濾，去除不必要的石墨粒子后，反復(fù)用水清洗，除去殘留酸液。
[0008](6)用真空烘箱干燥后，將所得石墨烯薄片粉末，放于DMF溶液(二甲基甲酰胺溶液)中分散，并通過溫和水浴超聲下處理5分鐘。
[0009](7)將懸浮石墨烯溶液用離心機(jī)分離，轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分。
[0010](8)干燥后所得的石墨烯薄膜片，即為所要的1.5nm的石墨烯膜片。
[0011]此時(shí)測(cè)定石墨烯薄膜片的電阻值是43200 Ω/sq，如果用69%的硝酸溶液簡(jiǎn)單處理一下，電阻值下降為~660 Ω/sq，如果將薄膜片放在450°C進(jìn)行熱退火處理，其電阻值又降至~210 Ω/sq。此時(shí)薄膜片還保持其超高的透光率。
[0012]作為優(yōu)選，所述的兩個(gè)金屬塊上的石墨工作電極、鉬絲電極分別接觸有一個(gè)金屬螺絲，兩個(gè)金屬螺絲上分別連接有正極導(dǎo)線夾子、負(fù)極導(dǎo)線夾子。
[0013]作為優(yōu)選，所述的石墨工作電極上端面開有插孔，插孔內(nèi)穿接有鎢絲，鎢絲上端固定在金屬塊中。
[0014]作為優(yōu)選，所述的電解槽成陣列排列，所有電解槽內(nèi)的石墨工作電極、鉬絲電極都通過并聯(lián)連接。`
[0015]作為優(yōu)選，所述的電解槽為10X10排列。
[0016]為了實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒈ＷC產(chǎn)出的石墨烯品質(zhì)優(yōu)良，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一臺(tái)100個(gè)電解槽剝離石墨烯裝置，使產(chǎn)量約50g~90g/小時(shí)。為了操作方便，將100個(gè)電解槽分為10組，每組為一個(gè)大電解槽，大槽中又分割成10個(gè)小電解槽，每個(gè)小電解槽中有一根天然石墨制成的工作電極(正極)和一條鉬絲作為負(fù)極，二電極必需互相平行相距約40-60mm,浸泡于小電解槽中的電解液中；我們又自制一種十路輸出石墨烯的剝離可調(diào)交流電源，數(shù)量十臺(tái)，其功能輸出地正負(fù)對(duì)稱方波電壓可調(diào)，輸出電壓的占空比可調(diào)。
[0017]作為優(yōu)選，所述的電解槽內(nèi)的電解液為K2SO4電解液。
[0018]作為優(yōu)選，所述的金屬塊通過固定螺絲固定在固定桿上。
[0019]作為優(yōu)選，所述的電解槽上表面設(shè)有定位擋塊，固定桿固定在定位擋塊中。
[0020]因此，本發(fā)明搭建容易，操作簡(jiǎn)單方便，價(jià)格低廉，運(yùn)行安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]附圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖3是本發(fā)明每組十槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖4是圖3的俯視結(jié)構(gòu)意圖；
附圖5是本發(fā)明電解槽的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖6是圖5的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中零部件、部位及編號(hào):電解槽1、固定桿2、金屬塊3、石墨工作電極4、鉬絲電極5、交流電源6、金屬螺絲7、正極導(dǎo)線夾子8、負(fù)極導(dǎo)線夾子9、鎢絲10、固定螺絲11、定位擋塊12。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0024]實(shí)施例:本例的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，如圖5、圖6，包括電解槽1，電解槽內(nèi)的電解液為K2SO4電解液。電解槽的上端設(shè)有固定桿2，電解槽上表面設(shè)有定位擋塊12，固定桿固定在定位擋塊中。固定桿上固定有一對(duì)金屬塊3，金屬塊通過固定螺絲11固定在固定桿上。兩個(gè)金屬塊上分別連接有石墨工作電極4、鉬絲電極5，石墨工作電極上端面開有插孔，插孔內(nèi)穿接有鎢絲10，鎢絲上端固定在金屬塊中。石墨工作電極、鉬絲電極伸入到電解槽內(nèi)，兩個(gè)金屬塊通過導(dǎo)線連接交流電源6。兩個(gè)金屬塊上的石墨工作電極
4、鉬絲電極5分別接觸有一個(gè)金屬螺絲7，兩個(gè)金屬螺絲上分別連接有正極導(dǎo)線夾子8、負(fù)極導(dǎo)線夾子9。[0025]如圖3、圖4、圖5、圖6，電解槽成陣列排列，所有電解槽內(nèi)的石墨工作電極4、鉬絲電極5都通過并聯(lián)連接。電解槽為IOX 10排列。
[0026]使用時(shí)，為了便于生產(chǎn)工人操作，將100個(gè)電解槽分為10組。每組是一個(gè)大槽，用5毫米塑料板焊成,其外形尺寸為655mm*75mm*50mm,大槽中又分割成10個(gè)電解小槽,每個(gè)小槽尺寸為60mm*65mm*45mm,詳見圖2、圖3。每一小電解槽上放置一套固定正極和負(fù)極的裝置，固定桿2用聚四氟乙烯塑料制作，桿上開槽，鑲嵌二個(gè)15mm*15mm*IOmm的金屬塊3即紫銅塊，并用固定螺絲11固定于桿上，在此二個(gè)銅塊上垂直方向開2mm的通孔，水平方向開M4的螺孔，正極上導(dǎo)線及鉬絲負(fù)極從Φ2πιπι孔中由下而上穿過用金屬螺絲7即Μ4螺釘將其固定。正極是有3-8mm,—根石墨工作電極4即條形天然石墨,在條形石墨端面打一個(gè)Φ 1.5mm的孔,深8mm?？字蟹臝根Φ Imm的鶴絲,用銀焊將其與石墨連接。負(fù)極是用鉬絲電極5Φ Imm長(zhǎng)50mm。正極與負(fù)極必須平行,相距為50mm。上述正負(fù)極電極安裝好后,將其放于小電解槽上，固定棒的定位分別有桿上的槽及電解槽上的固定擋塊確定。之后，將自制一種十路輸出可調(diào)交流電源(電壓在±0.5至20V;10A)電源數(shù)量十臺(tái)，十臺(tái)的正負(fù)極接線與各電解槽上電極接線相連接，然后按下述步驟進(jìn)行:
一、正負(fù)極接線連妥后，在各電解槽中加入K2SO4溶液作為電解液，其配比是([2.4-4.8克H2SO4 (98%)加于IOOmL去離子水，再加llmL30%的KOH溶液]，其pH值為10-12。
[0027]二、在正極上通入+2.5V的靜置電壓，目的是將K2SO4溶液浸潤(rùn)到石墨的六角網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)的晶體的晶界中去，電壓通入時(shí)間為I分鐘；
三、然后，在石墨工作電極(正極)上，加入1V-5V的正電壓，石墨沒有明顯的剝落，繼續(xù)增加正電壓到+10V，時(shí)間為2秒鐘，石墨晶界迅速膨脹剝離成小薄片，擴(kuò)散懸浮于電解液表面上，其厚度為3nm，并開始氧化，此時(shí)立即將電壓變成-1OV加于石墨工作電極上，時(shí)間為5秒鐘，目的是使懸浮的氧化的石墨烯片還原成石墨烯薄片。如此重復(fù)的在石墨工作電極上施加交替電壓，[即+IOV (2秒鐘)，-1OV(5秒)]。這工作時(shí)間約為10-15分鐘或?qū)⑹姌O完全消耗完止，此時(shí)槽中電解液表面上懸浮大量的石墨烯薄片。
[0028]四、將各槽中全部的在K2SO4溶液中懸浮的石墨烯薄片收集起來，收集的石墨烯薄片溶液通過用太倉市宏澤化工防腐設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HZ型多空過濾器進(jìn)行真空過濾，去除不必要的的石墨粒子后，反復(fù)用水清洗，除去殘留酸液。
[0029]五、用R81600-1型真空干燥箱80°C烘烤5小時(shí)，將所得的石墨烯薄片粉末放于DMF溶液中分散(DMF即二甲基甲酰胺溶液)，并通過溫和水浴在超聲下處理5分鐘。
[0030]六、將懸浮石墨烯溶液使用湖南省凱達(dá)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的TD5A-1l離心機(jī)進(jìn)行離心分離，其轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分。
[0031]七、離心分離后經(jīng)干燥后所得的薄膜片，即為所要的1.5nm級(jí)的石墨烯薄片。
[0032]八、將此薄片放入69%硝酸溶液中處理一下，即取出。
[0033]九、將薄膜片放入450°C熱處理退火2-5分鐘，取出即獲得所需的透光率96%、電阻210 Ω/sq、厚度為1.5nm的石墨烯薄膜片。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征并不局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)`，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，包括電解槽(1)，其特征在于所述的電解槽(I)的上端設(shè)有固定桿(2)，固定桿上固定有一對(duì)金屬塊(3)，兩個(gè)金屬塊上分別連接有石墨工作電極(4)、鉬絲電極(5)，石墨工作電極、鉬絲電極伸入到電解槽內(nèi)，兩個(gè)金屬塊通過導(dǎo)線連接交流電源(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的兩個(gè)金屬塊(3)上的石墨工作電極(4)、鉬絲電極(5)分別接觸有一個(gè)金屬螺絲(7)，兩個(gè)金屬螺絲上分別連接有正極導(dǎo)線夾子(8)、負(fù)極導(dǎo)線夾子(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的石墨工作電極(4)上端面開有插孔，插孔內(nèi)穿接有鎢絲(10)，鎢絲上端固定在金屬塊(3)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的電解槽(I)成陣列排列，所有電解槽(I)內(nèi)的石墨工作電極(4)、鉬絲電極(5)都通過并聯(lián)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的電解槽(I)為10X 10排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的規(guī)模化電化學(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的電解槽(I)內(nèi)的電解液為K2SO4電解液。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的金屬塊(3)通過固定螺絲(11)固定在固定桿(2)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的規(guī)?；娀瘜W(xué)高效剝離制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的電解槽(I)上表面設(shè)有定位 擋塊(12)，固定桿(2)固定在定位擋塊中。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK103879998SQ201310730923
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】石小英, 王葉滔, 甘家高, 王漢杰 申請(qǐng)人:杭州金馬能源科技有限公司