[实用新型]一种基于化学工艺的单层多孔石墨烯的生产系统

说明书

本实用新型公开了一种基于化学工艺的单层多孔石墨烯的生产系统，包括有机合成单元、物料储存单元、石墨烯制备单元、化学打孔单元、多孔石墨烯转移单元，所述有机合成单元包括多功能反应釜、减压旋转蒸发装置、洗涤装置、真空干燥箱串联构成，所述物料储存单元包括有机溶液储存罐、无机溶液储存罐、液相分离器，所述有机合成单元的真空干燥箱与物料储存单元的有机溶液储存罐通过螺旋给料机连接，所述物料储存单元的液相分离器通过其滴加管道与化学打孔单元的旋转涂膜仪连接，此三个单元与其它两个单元以及其它两个单元之间通过机械手臂操作进行连接。

技术领域

本实用新型属于碳材料加工领域，具体涉及一种基于化学工艺的单层多孔石墨烯的生产系统。

背景技术

石墨烯是一种二维的由六元环堆积而成的碳材料。石墨烯具有良好的导电性、机械强度、光学性能、吸附性能，导热性能和很高的透明度，目前石墨烯是已知材料中最薄、强度最大的材料，从而石墨烯被应用于能源、机械、电子等行业。自2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim教授与KostyaNovoselov首次采用胶带剥离得到石墨烯(Graphene)以来，石墨烯的研究就受到广大科学研究者重视和研究。为了扩大石墨烯的应用范围，研究者开始了对石墨烯进行化学修饰和活化的研究。多孔石墨烯即对石墨烯表面“缺陷”进行设计和加工得到的产物。对于多孔石墨烯的研究，是对其表面缺陷结构的利用。基于石墨烯的优异性能和二维纳米结构，多孔石墨烯表面的孔结构可以赋予其新的性能和应用，比如海水脱盐、离子通道、DNA测序、气体的分离与纯化、电极材料、场效应晶体管、化学传感器等。

然而在工业上，精确而低成本的批量打孔实施起来很困难。目前在石墨烯上开孔的工艺设备主要是物理装置，如氦离子轰击装置、电子束辐射装置、激光装置等，利用高能媒介在石墨烯上开出小范围可控的孔。物理装置虽然能在孔径以及其分布上进行精确地控制，但是很难进行大范围推广，这些设备不仅昂贵，而且因为制备过程通常是在基底上进行的，每次能形成的孔隙的数目比较有限，当需要在一片很大的石墨稀片层上，得到大量孔隙结构时，这类方法的效率会显得十分低下，将不再适用，其产量受到很大限制，只适用于实验室研究，刻蚀过程中会产生污染物，并会打乱孔周围碳原子的排列，其孔径大小能控制在原子尺度(＜1nm)到纳米尺度(1-500nm)。其中，纳米球掩膜光刻工艺与嵌段共聚物掩膜光刻工艺可以制备周期及间隔宽度可控的多孔石墨烯，然而其工序相对而言较为复杂，而且在去除SiO₂模板的过程中需用到诸如CHF₃、CF₄等有毒气体，会对环境及人体造成伤害，同时在对模板的去除过程中，还不可避免的会影响到石墨稀本身的性能，这些都局限了其应用。然而化学工艺设备较少，主要是一些工艺方法，如障碍诱导化学气相沉积法、碳热还原法、自由基攻击法、模板法、自下而上的合成工艺、水蒸气刻蚀装置、贵金属热处理刻蚀工艺等，通过化学反应在石墨烯或氧化石墨烯上开出大范围的孔。少部分化学工艺虽然能实现大量制备，但是其在孔径大小和空间分布上还是存在较大的问题，目前“自下而上”法合成的多种纳米孔石墨烯虽然性能不错，却还没有在实际器件中应用的报道。例如硕士论文《碳热还原刻蚀法制备多孔石墨烯》中开发了一种简单可控的碳热还原刻蚀的途径来大规模制备多孔石墨烯，以高单分散的氧化锌纳米颗粒作为氧化剂，在高温下石墨烯可作为还原剂与氧化锌纳米颗粒发生氧化还原反应，从而得到多孔石墨烯。对所制备的多孔石墨烯样品孔径分析表明，其孔径大小约为11nm，大于氧化锌纳米颗粒的尺寸(约为5nm)，这是因为部分氧化锌纳米颗粒在吸附石墨烯片层过程中发生了团聚，团聚体尺寸约为20nm。所以该论文大规模制备的多孔石墨烯的孔径大小和空间分布不能精确控制。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种以化学工艺为基础的石墨烯精确可控批量打孔以及孔洞均匀分布的连续式生产系统。