[實用新型]一種采用電化學(xué)工藝一步量產(chǎn)石墨烯的裝置

有效

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• 申請日: 2018-01-17
• 公開（公告）號: CN207918438U
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賈緯民
• 申請（專利權(quán)）人: 莆田市超維二維科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 鞏固

一種采用電化學(xué)工藝一步量產(chǎn)石墨烯的裝置，依次包括電化學(xué)插層槽和電化學(xué)剝離槽，二者內(nèi)部具有無機鹽電解液，正極為金屬棒，所述電化學(xué)插層槽的負極為柔性石墨紙，在所述電化學(xué)插層槽內(nèi)被插層的柔性石墨紙在所述電化學(xué)剝離槽作為負極，所述電化學(xué)插層槽和電化學(xué)剝離槽分別連接電壓為1.5?3V及8?11V的直流電供電設(shè)備。先在電化學(xué)插層槽插層一段時間，得到可剝離的柔性石墨，接下來進入到電化學(xué)剝離槽，已被插層的柔性石墨進入電解液的瞬間立刻發(fā)生剝離，使柔性石墨紙剝離成寡層石墨烯。本實用新型通過電化學(xué)生產(chǎn)石墨烯，大幅環(huán)境污染負荷，耗時短，能量耗費少，省時且安全，實現(xiàn)了一種環(huán)保、安全、高效的量產(chǎn)石墨烯的和裝置。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及石墨烯制備領(lǐng)域，具體的涉及一種環(huán)保、安全、高效的量產(chǎn)石墨烯的裝置。

背景技術(shù)

石墨烯具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。碳原子之間由σ鍵連接，結(jié)合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，甚至還要超過鉆石。在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。石墨烯是新一代的透明導(dǎo)電材料，在可見光區(qū)，四層石墨烯的透過率與傳統(tǒng)的ITO薄膜相當，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠遠高于ITO薄膜。

石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1Ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾。人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能，超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費了72％-81％的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。

石墨烯獨特的性能與其電子能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。以獨立碳原子為基，將周圍碳原子產(chǎn)生的勢作為微擾，可以用矩陣的方法計算出石墨烯的能級分布。在狄拉克點(DiracPoint)附近展開，可得能量與波矢呈線性關(guān)系(類似于光子的色散關(guān)系)，且在狄拉克點出現(xiàn)奇點(singularity)。這意味著在費米面附近，石墨烯中電子的有效質(zhì)量為零，這也解釋了該材料獨特的電學(xué)等性質(zhì)。

由于石墨烯上述非同尋常的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、化學(xué)物理的突出性能以及極好的穩(wěn)定性，因此制備石墨烯的方法成為業(yè)內(nèi)研究的重點。然而，現(xiàn)有生產(chǎn)石墨烯的工藝，具有以下缺點：

1、采用PVD、CVD等方法，產(chǎn)量小、投資大、條件高。

2、化學(xué)氧化法，需使用強氧化劑和插層劑(KMnO₄、H₂SO₄)、重金屬、強酸等，會造成嚴重的環(huán)境壓力，每生產(chǎn)1T產(chǎn)品，會產(chǎn)生10T的反洗廢水。同時，HNO₃等物質(zhì)還會帶來爆炸危險。

3、需要進行預(yù)處理，例如浙大高超等人的技術(shù)，以強酸(H₂SO₄，HNO₃)作為插層劑，氧化剝離石墨，需要在低溫下預(yù)處理24h。

因此，現(xiàn)有的工藝仍存在有效率低、污染大、耗時長、危險系數(shù)高的缺點。

實用新型內(nèi)容