[發明專利]一種規模化電化學高效剝離制備石墨烯的裝置

無效

• 申請號: 201310730923.8
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN103879998A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 石小英;王葉滔;甘家高;王漢杰
• 申請（專利權）人: 杭州金馬能源科技有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 俞潤體;金磊

技術領域

本發明涉及一種石墨烯制備裝置，尤其是涉及一種規模化電化學高效剝離制備石墨烯的裝置。

背景技術

石墨烯具有高的導熱率、高的內在電子遷移率、優異的機械強度、柔韌的彈性和良好的導電性，已經引起各國極大的關注。由于現代電子設備，包括觸摸屏、顯示器、電子打印、光發射器及太陽能電池都需要依靠透明導電氧化物（TCOs），然而，這些膜的脆性，嚴重限制了它們在設備上的應用，迫切需要尋求有前途的替代產品。石墨烯是光學透明的強導電材料，它只吸收2.3%的可見光，因此已被認為是替代銦錫氧化物（ITO）的非常有前途的材料。現有石墨烯制備方法：有機械剝離法和外延生長法、氣相沉積法、氧化還原法等，其中機械剝離法和外延生長法雖具有高品質性，但不宜大規模生產，氣相沉積法能顯示出較大面積石墨烯，但產品價格昂貴，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點，然而石墨烯在氧化過程中蜂窩狀晶格結構受到嚴重破壞，得到膜的電阻值遠高于ITO的要求。

發明內容

本發明是提供一種規模化電化學高效剝離制備石墨烯的裝置，其主要是解決現有技術所存在的機械剝離法和外延生長法制備石墨烯不宜大規模生產，氣相沉積法制備石墨烯產品價格昂貴，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構受到嚴重破壞，得到膜的電阻值遠高于ITO的要求等的技術問題。

本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：

本發明的規模化電化學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有固定桿，固定桿上固定有一對金屬塊，兩個金屬塊上分別連接有石墨工作電極、鉑絲電極，石墨工作電極、鉑絲電極伸入到電解槽內，兩個金屬塊通過導線連接交流電源。

石墨是層狀結構，每個碳原子分別與相鄰的三個碳原子以共價鍵的形式形成牢固的六角網狀平面結構，層與層之間依靠類似的金屬π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。

為了求得高效剝離石墨烯，對可作電解液的各種酸進行了優化實驗。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，才能出現理想的剝離效率。但是硫酸本身會導致石墨烯氧化而產生缺陷，為了減少硫酸對石墨烯的氧化，在硫酸溶液中加入KOH溶液，以降低電解質溶液的酸度，緩解對石墨烯的氧化。故每小電解槽中的電解液為2.4克至4.8克H₂SO₄（98%）加入100mL去離子水稀釋，并再加入11mL30%的KOH溶液，使其pH值為10～12。然后，用電化學法高效剝離制備高質量石墨烯，其步驟如下：

⑴將自制可調交流電源上正、負極接線與各電解槽的正負電極相連接；

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1分鐘，讓電解液浸潤到石墨晶體晶界中去；

⑷然后，施加交替電壓，先+10V時間2秒，即刻轉為﹣10V時間5秒；如此重復施加交替電壓，時間約10分鐘或直至石墨電極完全消耗為止。

⑸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100nm過濾真空過濾，去除不必要的石墨粒子后，反復用水清洗，除去殘留酸液。

⑹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。

⑺將懸浮石墨烯溶液用離心機分離，轉速為2500轉/分。

⑻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。

此時測定石墨烯薄膜片的電阻值是43200Ω/sq，如果用69%的硝酸溶液簡單處理一下，電阻值下降為～660Ω/sq，如果將薄膜片放在450℃進行熱退火處理，其電阻值又降至～210Ω/sq。此時薄膜片還保持其超高的透光率。

作為優選，所述的兩個金屬塊上的石墨工作電極、鉑絲電極分別接觸有一個金屬螺絲，兩個金屬螺絲上分別連接有正極導線夾子、負極導線夾子。

作為優選，所述的石墨工作電極上端面開有插孔，插孔內穿接有鎢絲，鎢絲上端固定在金屬塊中。

作為優選，所述的電解槽成陣列排列，所有電解槽內的石墨工作電極、鉑絲電極都通過并聯連接。

作為優選，所述的電解槽為10×10排列。