[发明专利]一种采用电化学工艺一步量产石墨烯的装置及方法

说明书

一种采用电化学工艺一步量产石墨烯的装置及方法，所述装置依次包括电化学插层槽和电化学剥离槽，二者内部具有无机盐电解液，正极为金属棒，所述电化学插层槽的负极为柔性石墨纸，在所述电化学插层槽内被插层的柔性石墨纸在所述电化学剥离槽作为负极，所述电化学插层槽和电化学剥离槽分别连接电压为1.5‑3V及8‑11V的直流电供电设备。先在电化学插层槽插层一段时间，得到可剥离的柔性石墨，接下来进入到电化学剥离槽，已被插层的柔性石墨进入电解液的瞬间立刻发生剥离，使柔性石墨纸剥离成寡层石墨烯。本发明通过电化学生产石墨烯，大幅环境污染负荷，耗时短，能量耗费少，省时且安全，实现了一种环保、安全、高效的量产石墨烯的工艺方法和装置。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，具体的涉及一种环保、安全、高效的量产石墨烯的方法及其装置。

背景技术

石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72％-81％的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。

石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关。以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的势作为微扰，可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分布。在狄拉克点(DiracPoint)附近展开，可得能量与波矢呈线性关系(类似于光子的色散关系)，且在狄拉克点出现奇点(singularity)。这意味着在费米面附近，石墨烯中电子的有效质量为零，这也解释了该材料独特的电学等性质。

由于石墨烯上述非同寻常的热学、力学、电学、化学物理的突出性能以及极好的稳定性，因此制备石墨烯的方法成为业内研究的重点。然而，现有生产石墨烯的方法，具有以下缺点：

1、采用PVD、CVD等方法，产量小、投资大、条件高。

2、化学氧化法，需使用强氧化剂和插层剂(KMnO₄、H₂SO₄)、重金属、强酸等，会造成严重的环境压力，每生产1T产品，会产生10T的反洗废水。同时，HNO₃等物质还会带来爆炸危险。

3、需要进行预处理，例如浙大高超等人的技术，以强酸(H₂SO₄，HNO₃)作为插层剂，氧化剥离石墨，需要在低温下预处理24h。

因此，现有的方法仍存在有效率低、污染大、耗时长、危险系数高的缺点。

发明内容