[发明专利]一种规模化电化学高效剥离制备石墨烯的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯制备装置，尤其是涉及一种规模化电化学高效剥离制备石墨烯的装置。

背景技术

石墨烯具有高的导热率、高的内在电子迁移率、优异的机械强度、柔韧的弹性和良好的导电性，已经引起各国极大的关注。由于现代电子设备，包括触摸屏、显示器、电子打印、光发射器及太阳能电池都需要依靠透明导电氧化物（TCOs），然而，这些膜的脆性，严重限制了它们在设备上的应用，迫切需要寻求有前途的替代产品。石墨烯是光学透明的强导电材料，它只吸收2.3%的可见光，因此已被认为是替代铟锡氧化物（ITO）的非常有前途的材料。现有石墨烯制备方法：有机械剥离法和外延生长法、气相沉积法、氧化还原法等，其中机械剥离法和外延生长法虽具有高品质性，但不宜大规模生产，气相沉积法能显示出较大面积石墨烯，但产品价格昂贵，氧化还原法剥离制备石墨烯，虽由于潜在的低成本和液相加工制造优点，然而石墨烯在氧化过程中蜂窝状晶格结构受到严重破坏，得到膜的电阻值远高于ITO的要求。

发明内容

本发明是提供一种规模化电化学高效剥离制备石墨烯的装置，其主要是解决现有技术所存在的机械剥离法和外延生长法制备石墨烯不宜大规模生产，气相沉积法制备石墨烯产品价格昂贵，氧化还原法剥离制备石墨烯在氧化过程中石墨烯蜂窝状晶格结构受到严重破坏，得到膜的电阻值远高于ITO的要求等的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明的规模化电化学高效剥离制备石墨烯的装置，包括电解槽，所述的电解槽的上端设有固定杆，固定杆上固定有一对金属块，两个金属块上分别连接有石墨工作电极、铂丝电极，石墨工作电极、铂丝电极伸入到电解槽内，两个金属块通过导线连接交流电源。

石墨是层状结构，每个碳原子分别与相邻的三个碳原子以共价键的形式形成牢固的六角网状平面结构，层与层之间依靠类似的金属π键和范德华力连接，在过去，可膨胀石墨制备用甲酸或硫酸的化学方法插入层中，快速加热，释放出猛力的嵌入物 SO₄，但是，此法大部分脱落的石墨烯薄片还是厚度比较厚的。

为了求得高效剥离石墨烯，对可作电解液的各种酸进行了优化实验。例如例如甲酸、硫酸、盐酸、氢溴酸、硝酸等，得知只有硫酸作为电解液，才能出现理想的剥离效率。但是硫酸本身会导致石墨烯氧化而产生缺陷，为了减少硫酸对石墨烯的氧化，在硫酸溶液中加入KOH溶液，以降低电解质溶液的酸度，缓解对石墨烯的氧化。故每小电解槽中的电解液为2.4克至4.8克H₂SO₄（98%）加入100mL去离子水稀释，并再加入11mL30%的KOH溶液，使其pH值为10～12。然后，用电化学法高效剥离制备高质量石墨烯，其步骤如下：

⑴将自制可调交流电源上正、负极接线与各电解槽的正负电极相连接；

⑵将配制好的上述K₂SO₄电解液，以每槽120mL加入小电解槽中；

⑶先通静置电压2.5V，持续1分钟，让电解液浸润到石墨晶体晶界中去；

⑷然后，施加交替电压，先+10V时间2秒，即刻转为﹣10V时间5秒；如此重复施加交替电压，时间约10分钟或直至石墨电极完全消耗为止。

⑸将各电解槽中全部悬浮在电解液表面上的石墨烯薄片收集起来，用100nm过滤真空过滤，去除不必要的石墨粒子后，反复用水清洗，除去残留酸液。

⑹用真空烘箱干燥后，将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，并通过温和水浴超声下处理5分钟。

⑺将悬浮石墨烯溶液用离心机分离，转速为2500转/分。

⑻干燥后所得的石墨烯薄膜片，即为所要的1.5nm的石墨烯膜片。

此时测定石墨烯薄膜片的电阻值是43200Ω/sq，如果用69%的硝酸溶液简单处理一下，电阻值下降为～660Ω/sq，如果将薄膜片放在450℃进行热退火处理，其电阻值又降至～210Ω/sq。此时薄膜片还保持其超高的透光率。

作为优选，所述的两个金属块上的石墨工作电极、铂丝电极分别接触有一个金属螺丝，两个金属螺丝上分别连接有正极导线夹子、负极导线夹子。

作为优选，所述的石墨工作电极上端面开有插孔，插孔内穿接有钨丝，钨丝上端固定在金属块中。

作为优选，所述的电解槽成阵列排列，所有电解槽内的石墨工作电极、铂丝电极都通过并联连接。

作为优选，所述的电解槽为10×10排列。