本發(fā)明屬于石墨烯的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種量產(chǎn)石墨烯的設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種單原子層的石墨，其是一種由sp²雜化碳原子組成的六角形蜂窩狀二維材料。石墨烯具有非常高的比表面積、電子遷移率、楊氏模量和熱導(dǎo)性，引起了人們的極大興趣。其在電學(xué)方面的優(yōu)異性能使其在納米導(dǎo)電復(fù)合材料、納米電子器件、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、超級(jí)電容器及電池等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，高質(zhì)量高導(dǎo)電性能石墨烯的規(guī)模化制備是石墨烯實(shí)際應(yīng)用所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

現(xiàn)有技術(shù)中用以制造石墨烯的方法包含機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法及化學(xué)剝離法等。其中，機(jī)械剝離法雖然可以生成質(zhì)量?jī)?yōu)良的石墨烯，但這種方法無(wú)法大面積規(guī)?；铣墒?。化學(xué)氣相沉積法的制備過(guò)程中，必須使用近千度的高溫及昂貴的金屬基板，且需耗費(fèi)數(shù)小時(shí)才能完成?；瘜W(xué)剝離法主要系先將石墨氧化，最后再經(jīng)過(guò)高溫還原的步驟使石墨烯恢復(fù)其原本的晶格形狀使其具有導(dǎo)電性，然而，氧化的過(guò)程會(huì)造成石墨烯的晶格受到破壞，且并非所有的氧化石墨烯均能有效地被還原。上述這些方法的不足之處，都限制了石墨烯的生產(chǎn)及后續(xù)的應(yīng)用。

如何提供一種方法能于常溫下生產(chǎn)，兼具低成本、流程簡(jiǎn)便及快速生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯，是一直以來(lái)本領(lǐng)域科研人員所致力研究的重要課題，且應(yīng)半導(dǎo)體、觸控面板及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域科技發(fā)展的廣大需求，大量、連續(xù)規(guī)?；┲苽涞脑O(shè)計(jì)已日趨重要?，F(xiàn)有技術(shù)中，出現(xiàn)了一種規(guī)?；慨a(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的裝置，其包含石墨初始材料的電極座、電解槽、電源供應(yīng)器及過(guò)濾與分離產(chǎn)物的模塊，此裝置可以基于電化學(xué)剝離法來(lái)快速且大量制備石墨烯，但是，其公開(kāi)的裝置結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，對(duì)于電解質(zhì)溶液如何補(bǔ)充等關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)有涉及，且其僅簡(jiǎn)單使用了一個(gè)轉(zhuǎn)子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電解液的攪拌，只能對(duì)玻璃石墨烯起到非常有限的輔助作用，在此現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種更快速高效的生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法極為有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種量產(chǎn)石墨烯的設(shè)備和方法，解決了現(xiàn)有電化學(xué)剝離生產(chǎn)石墨烯的技術(shù)中存在的電解液的補(bǔ)充及攪拌等技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明能夠更加快速的對(duì)石墨烯進(jìn)行量產(chǎn)，且提出了一種新型輔助電解剝離結(jié)構(gòu)，運(yùn)用電場(chǎng)及磁場(chǎng)的結(jié)合達(dá)到更加高效的電化學(xué)剝離石墨烯的效果。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明首先提供一種量產(chǎn)石墨烯的設(shè)備，包括電解槽、包含石墨初始材料的第一電極、第二電極、電源供應(yīng)器及過(guò)濾分離模塊，電解槽中填充電解液，還包括補(bǔ)液池，補(bǔ)液池出口經(jīng)補(bǔ)液管道與垂直設(shè)置在電解槽中間位置的補(bǔ)液柱相連，補(bǔ)液柱一端處于電解槽底部外側(cè)，另一端延伸至電解槽內(nèi)部，補(bǔ)液柱可在外部電機(jī)帶動(dòng)下繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，所述補(bǔ)液柱自下而上分段設(shè)有噴嘴群，補(bǔ)液柱上靠近電解槽的底部設(shè)置有橫向攪拌棒，攪拌棒上錯(cuò)落設(shè)有上齒和下齒；所述過(guò)濾分離模塊的進(jìn)口通過(guò)進(jìn)液管道與電解槽內(nèi)部相連，進(jìn)液管道的管口處于電解液液面下，電解槽內(nèi)靠近進(jìn)液管道的下方設(shè)置有第一過(guò)濾網(wǎng)；過(guò)濾分離模塊的電解液出口通過(guò)出液管道與所述補(bǔ)液池相連，所述出液管道、補(bǔ)液管道及進(jìn)液管道上分別設(shè)有第一耐腐蝕泵、第二耐腐蝕泵和第三耐腐蝕泵。

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述第一耐腐蝕泵、第二耐腐蝕泵和第三耐腐蝕泵及外部電機(jī)分別通過(guò)電磁閥與控制器相連。

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述噴嘴群設(shè)置有三段，每段噴嘴群由平行的兩圈噴嘴組成，每圈噴嘴沿補(bǔ)液柱的圓周方向設(shè)置，每圈噴嘴的數(shù)量為3～6個(gè)。

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述第一過(guò)濾網(wǎng)為500～800目不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)。

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述過(guò)濾分離模塊包括依次設(shè)置的過(guò)濾器、石墨烯收集器和電解液收集器，所述過(guò)濾器內(nèi)設(shè)置有納米纖維過(guò)濾膜。

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述電解槽外側(cè)設(shè)有磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的NS極垂直于所述電解槽，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置接入的是直流電。

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置由鐵芯和線圈組成，所述線圈和鐵芯從里至外依次環(huán)繞在所述電解槽周?chē)?/p>

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述電解槽內(nèi)設(shè)置有熱電偶，所述熱電偶與所述控制器相連，所述電解液收集器的進(jìn)口處設(shè)有第一電磁開(kāi)關(guān)閥，所述石墨烯收集器左右兩側(cè)設(shè)有沖洗管道，一側(cè)的沖洗管道與分散液罐相連，另一側(cè)的沖洗管道與分散液收集罐相連。

本發(fā)明還提供一種量產(chǎn)石墨烯的方法，包括如下步驟：

步驟[1]向電解槽中充滿(mǎn)電解液，第一偏壓下，靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行石墨初始材料的嵌入步驟；

步驟[2]于第二偏壓及第三偏壓下對(duì)石墨初始材料交替進(jìn)行剝離操作，同時(shí)開(kāi)啟外部電機(jī)帶動(dòng)攪拌裝置在一定轉(zhuǎn)速下順時(shí)針進(jìn)行攪拌；

步驟[3]停止攪拌，恢復(fù)第一偏壓，靜置一定時(shí)間后開(kāi)啟第一及第三耐腐蝕泵，對(duì)石墨烯進(jìn)行過(guò)濾分離操作，并收集分離出來(lái)的石墨烯；

步驟[4]關(guān)閉第一及第三耐腐蝕泵，開(kāi)啟第二耐腐蝕泵，同時(shí)開(kāi)啟外部電機(jī)，在攪拌及補(bǔ)液柱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)電解槽進(jìn)行補(bǔ)液；

步驟[6]補(bǔ)液完成后，重復(fù)步驟[2]-步驟[4]。

作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟[1]進(jìn)行的同時(shí)，電解槽外側(cè)施加有垂直于電解槽的磁場(chǎng)。

本發(fā)明的積極效果：本發(fā)明真正完成了石墨烯的連續(xù)化生產(chǎn)，第一過(guò)濾網(wǎng)的設(shè)置可以對(duì)產(chǎn)出的石墨烯直接在電解液中進(jìn)行初次過(guò)濾，這大大提高了后續(xù)石墨烯的過(guò)濾分離，同時(shí)也使得大塊石墨烯繼續(xù)保留在電解液中，在一定的電場(chǎng)甚至電場(chǎng)磁場(chǎng)相結(jié)合的環(huán)境下繼續(xù)完成進(jìn)一步的嵌入和剝離；獨(dú)特的補(bǔ)液及攪拌裝置，可以迅速的完成均勻補(bǔ)液操作，同時(shí)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的補(bǔ)液在電場(chǎng)及磁場(chǎng)存在的環(huán)境下更容易完成對(duì)停留于電解液中的粗粒徑石墨烯進(jìn)行嵌入和剝離，從而形成符合尺寸的石墨烯，進(jìn)一步加大了石墨烯的生產(chǎn)效率；關(guān)鍵的，磁場(chǎng)的施加對(duì)于本發(fā)明有著至關(guān)重要的意義，在電解質(zhì)溶液中離子間不停的碰撞進(jìn)行分子熱運(yùn)動(dòng)，我們認(rèn)為，而在磁場(chǎng)存在的環(huán)境下，在作為電極的初始石墨烯材料周?chē)?，由于電極磁場(chǎng)的作用，會(huì)使初始石墨烯材料周?chē)碾x子的密度大于溶液中的平均離子密度，和這個(gè)磁場(chǎng)電極相互碰撞的離子相對(duì)來(lái)說(shuō)較多，則會(huì)有更大的幾率對(duì)粗粒徑石墨烯進(jìn)行嵌入，除此之外，在外加磁場(chǎng)的條件下，洛倫茲力引起的磁流體力學(xué)效應(yīng)顯著地影響了電化學(xué)過(guò)程，溶液中的離子流切割磁力線時(shí)會(huì)受到洛倫茲力的作用；洛倫茲力使離子作螺旋線定向運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)離子對(duì)石墨烯的嵌入操作。本發(fā)明也實(shí)現(xiàn)了對(duì)分離出的電解液進(jìn)行回收再利用，避免了浪費(fèi)，也簡(jiǎn)化了操作流程?？傊?，本發(fā)明基于電化學(xué)剝離的方式，亦即于室溫下透過(guò)電壓的改變即可完成嵌入及剝離石墨材料的步驟，結(jié)合外加磁場(chǎng)，可在短時(shí)間內(nèi)大量制成層數(shù)少的高度石墨化的石墨烯，利于工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用于各領(lǐng)域中。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

參照?qǐng)D1，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1提供一種量產(chǎn)石墨烯的設(shè)備，包括電解槽1、包含石墨初始材料的第一電極2、第二電極3、電源供應(yīng)器4及過(guò)濾分離模塊，電解槽1中填充電解液，還包括補(bǔ)液池5，補(bǔ)液池5出口經(jīng)補(bǔ)液管道6與垂直設(shè)置在電解槽1中間位置的補(bǔ)液柱8相連，補(bǔ)液柱8一端處于電解槽1底部外側(cè)，另一端延伸至電解槽1內(nèi)部，補(bǔ)液柱8可在外部電機(jī)9帶動(dòng)下繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，所述補(bǔ)液柱8自下而上分段設(shè)有噴嘴群10，補(bǔ)液柱8上靠近電解槽1的底部設(shè)置有橫向攪拌棒11，攪拌棒11上錯(cuò)落設(shè)有上齒和下齒；所述過(guò)濾分離模塊的進(jìn)口通過(guò)進(jìn)液管道12與電解槽1內(nèi)部相連，進(jìn)液管道12的管口處于電解液液面下，電解槽1內(nèi)靠近進(jìn)液管道的下方設(shè)置有第一過(guò)濾網(wǎng)13；過(guò)濾分離模塊的電解液出口通過(guò)出液管道14與所述補(bǔ)液5池相連，所述出液管道14、補(bǔ)液管道6及進(jìn)液管道12上分別設(shè)有第一耐腐蝕泵15、第二耐腐蝕泵16和第三耐腐蝕泵17。

所述第一耐腐蝕泵15、第二耐腐蝕泵16和第三耐腐蝕泵17及外部電機(jī)9分別通過(guò)電磁閥與控制器相連。

所述噴嘴群設(shè)置有三段，每段噴嘴群由平行的兩圈噴嘴組成，每圈噴嘴沿補(bǔ)液柱8的圓周方向設(shè)置，每圈噴嘴的數(shù)量為5個(gè)。

所述第一過(guò)濾網(wǎng)13為500～800目不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)。

所述過(guò)濾分離模塊包括依次設(shè)置的過(guò)濾器18、石墨烯收集器19和電解液收集器20，所述過(guò)濾器18內(nèi)設(shè)置有納米纖維過(guò)濾膜。

使用本實(shí)施例的設(shè)備對(duì)石墨烯進(jìn)行量產(chǎn)的方法，包括如下步驟：

步驟[1]向電解槽中充滿(mǎn)電解液，第一偏壓下，靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行石墨初始材料的嵌入步驟；

步驟[2]于第二偏壓及第三偏壓下對(duì)石墨初始材料交替進(jìn)行剝離操作，同時(shí)開(kāi)啟外部電機(jī)帶動(dòng)攪拌裝置在一定轉(zhuǎn)速下順時(shí)針進(jìn)行攪拌；

步驟[3]停止攪拌，恢復(fù)第一偏壓，靜置一定時(shí)間后開(kāi)啟第一及第三耐腐蝕泵，對(duì)石墨烯進(jìn)行過(guò)濾分離操作，并收集分離出來(lái)的石墨烯；

步驟[4]關(guān)閉第一及第三耐腐蝕泵，開(kāi)啟第二耐腐蝕泵，同時(shí)開(kāi)啟外部電機(jī)，在攪拌及補(bǔ)液柱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)電解槽進(jìn)行補(bǔ)液；

步驟[6]補(bǔ)液完成后，重復(fù)步驟[2]-步驟[4]。

實(shí)施例2

參照?qǐng)D2，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例2提供一種量產(chǎn)石墨烯的設(shè)備，即在實(shí)施例1所述設(shè)備的基礎(chǔ)上，在所述電解槽1外側(cè)設(shè)有磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置21，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的NS極垂直于所述電解槽1，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置21接入的是直流電。

所述磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置21由鐵芯和線圈組成，所述線圈和鐵芯從里至外依次環(huán)繞在所述電解槽周?chē)?/p>

使用本實(shí)施例的設(shè)備對(duì)石墨烯進(jìn)行量產(chǎn)的方法，如實(shí)施例1中的制備方法所述，其中所述步驟[1]進(jìn)行的同時(shí)，電解槽外側(cè)施加有垂直于電解槽的磁場(chǎng)。

實(shí)施例3

參照?qǐng)D3，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例3提供一種量產(chǎn)石墨烯的設(shè)備，即在實(shí)施例2所述設(shè)備的基礎(chǔ)上，還在所述電解槽內(nèi)設(shè)置熱電偶22，所述熱電偶22與所述控制器相連，所述電解液收集器的進(jìn)口處設(shè)有第一電磁開(kāi)關(guān)閥23，所述石墨烯收集器19左右兩側(cè)設(shè)有沖洗管道，一側(cè)的沖洗管道與分散液罐24相連，另一側(cè)的沖洗管道與分散液收集罐25相連。

在本發(fā)明中，偏壓系以一電流供應(yīng)器來(lái)提供，其可以是直流電或交流電供應(yīng)。其中第一偏壓系介于+0.5伏特至+10伏特，優(yōu)選為介于+2.5伏特至+5伏特，作用時(shí)間約5至10分鐘。第二偏壓系大于第一偏壓，且介于+10伏特至+25伏特，第三偏壓系使用第二偏壓的負(fù)值，操作時(shí)間并分別為2秒及5秒，并交替持續(xù)5至10分鐘。

以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所應(yīng)理解的是，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的思想和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換等等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。