一种量产石墨烯的设备和方法与流程

本发明属于石墨烯的制备技术领域，特别是一种量产石墨烯的设备和方法。

背景技术：

石墨烯是一种单原子层的石墨，其是一种由sp²杂化碳原子组成的六角形蜂窝状二维材料。石墨烯具有非常高的比表面积、电子迁移率、杨氏模量和热导性，引起了人们的极大兴趣。其在电学方面的优异性能使其在纳米导电复合材料、纳米电子器件、场效应晶体管、超级电容器及电池等方面具有广泛的应用前景。因此，高质量高导电性能石墨烯的规模化制备是石墨烯实际应用所要解决的关键问题之一。

现有技术中用以制造石墨烯的方法包含机械剥离法、化学气相沉积法及化学剥离法等。其中，机械剥离法虽然可以生成质量优良的石墨烯，但这种方法无法大面积规模化合成石墨烯。化学气相沉积法的制备过程中，必须使用近千度的高温及昂贵的金属基板，且需耗费数小时才能完成。化学剥离法主要系先将石墨氧化，最后再经过高温还原的步骤使石墨烯恢复其原本的晶格形状使其具有导电性，然而，氧化的过程会造成石墨烯的晶格受到破坏，且并非所有的氧化石墨烯均能有效地被还原。上述这些方法的不足之处，都限制了石墨烯的生产及后续的应用。

如何提供一种方法能于常温下生产，兼具低成本、流程简便及快速生产高质量的石墨烯，是一直以来本领域科研人员所致力研究的重要课题，且应半导体、触控面板及太阳能电池等领域科技发展的广大需求，大量、连续规模化石墨烯制备的设计已日趋重要。现有技术中，出现了一种规模化量产高质量石墨烯的装置，其包含石墨初始材料的电极座、电解槽、电源供应器及过滤与分离产物的模块，此装置可以基于电化学剥离法来快速且大量制备石墨烯，但是，其公开的装置结构过于简单，对于电解质溶液如何补充等关键问题没有涉及，且其仅简单使用了一个转子来实现对电解液的搅拌，只能对玻璃石墨烯起到非常有限的辅助作用，在此现有技术的基础上，开发一种更快速高效的生产高质量石墨烯的方法极为有必要。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种量产石墨烯的设备和方法，解决了现有电化学剥离生产石墨烯的技术中存在的电解液的补充及搅拌等技术问题，本发明能够更加快速的对石墨烯进行量产，且提出了一种新型辅助电解剥离结构，运用电场及磁场的结合达到更加高效的电化学剥离石墨烯的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明首先提供一种量产石墨烯的设备，包括电解槽、包含石墨初始材料的第一电极、第二电极、电源供应器及过滤分离模块，电解槽中填充电解液，还包括补液池，补液池出口经补液管道与垂直设置在电解槽中间位置的补液柱相连，补液柱一端处于电解槽底部外侧，另一端延伸至电解槽内部，补液柱可在外部电机带动下绕其自身轴线旋转，所述补液柱自下而上分段设有喷嘴群，补液柱上靠近电解槽的底部设置有横向搅拌棒，搅拌棒上错落设有上齿和下齿；所述过滤分离模块的进口通过进液管道与电解槽内部相连，进液管道的管口处于电解液液面下，电解槽内靠近进液管道的下方设置有第一过滤网；过滤分离模块的电解液出口通过出液管道与所述补液池相连，所述出液管道、补液管道及进液管道上分别设有第一耐腐蚀泵、第二耐腐蚀泵和第三耐腐蚀泵。

作为一种优选技术方案，所述第一耐腐蚀泵、第二耐腐蚀泵和第三耐腐蚀泵及外部电机分别通过电磁阀与控制器相连。

作为一种优选技术方案，所述喷嘴群设置有三段，每段喷嘴群由平行的两圈喷嘴组成，每圈喷嘴沿补液柱的圆周方向设置，每圈喷嘴的数量为3～6个。

作为一种优选技术方案，所述第一过滤网为500～800目不锈钢过滤网。

作为一种优选技术方案，所述过滤分离模块包括依次设置的过滤器、石墨烯收集器和电解液收集器，所述过滤器内设置有纳米纤维过滤膜。

作为一种优选技术方案，所述电解槽外侧设有磁场产生装置，所产生的磁场的NS极垂直于所述电解槽，所述磁场产生装置接入的是直流电。

作为一种优选技术方案，所述磁场产生装置由铁芯和线圈组成，所述线圈和铁芯从里至外依次环绕在所述电解槽周围。

作为一种优选技术方案，所述电解槽内设置有热电偶，所述热电偶与所述控制器相连，所述电解液收集器的进口处设有第一电磁开关阀，所述石墨烯收集器左右两侧设有冲洗管道，一侧的冲洗管道与分散液罐相连，另一侧的冲洗管道与分散液收集罐相连。

本发明还提供一种量产石墨烯的方法，包括如下步骤：

步骤[1]向电解槽中充满电解液，第一偏压下，静止状态下进行石墨初始材料的嵌入步骤；

步骤[2]于第二偏压及第三偏压下对石墨初始材料交替进行剥离操作，同时开启外部电机带动搅拌装置在一定转速下顺时针进行搅拌；

步骤[3]停止搅拌，恢复第一偏压，静置一定时间后开启第一及第三耐腐蚀泵，对石墨烯进行过滤分离操作，并收集分离出来的石墨烯；

步骤[4]关闭第一及第三耐腐蚀泵，开启第二耐腐蚀泵，同时开启外部电机，在搅拌及补液柱旋转状态下对电解槽进行补液；

步骤[6]补液完成后，重复步骤[2]-步骤[4]。

作为一种优选技术方案，所述步骤[1]进行的同时，电解槽外侧施加有垂直于电解槽的磁场。

本发明的积极效果：本发明真正完成了石墨烯的连续化生产，第一过滤网的设置可以对产出的石墨烯直接在电解液中进行初次过滤，这大大提高了后续石墨烯的过滤分离，同时也使得大块石墨烯继续保留在电解液中，在一定的电场甚至电场磁场相结合的环境下继续完成进一步的嵌入和剥离；独特的补液及搅拌装置，可以迅速的完成均匀补液操作，同时旋转状态下的补液在电场及磁场存在的环境下更容易完成对停留于电解液中的粗粒径石墨烯进行嵌入和剥离，从而形成符合尺寸的石墨烯，进一步加大了石墨烯的生产效率；关键的，磁场的施加对于本发明有着至关重要的意义，在电解质溶液中离子间不停的碰撞进行分子热运动，我们认为，而在磁场存在的环境下，在作为电极的初始石墨烯材料周围，由于电极磁场的作用，会使初始石墨烯材料周围的离子的密度大于溶液中的平均离子密度，和这个磁场电极相互碰撞的离子相对来说较多，则会有更大的几率对粗粒径石墨烯进行嵌入，除此之外，在外加磁场的条件下，洛伦兹力引起的磁流体力学效应显著地影响了电化学过程，溶液中的离子流切割磁力线时会受到洛伦兹力的作用；洛伦兹力使离子作螺旋线定向运动，从而促进离子对石墨烯的嵌入操作。本发明也实现了对分离出的电解液进行回收再利用，避免了浪费，也简化了操作流程。总之，本发明基于电化学剥离的方式，亦即于室温下透过电压的改变即可完成嵌入及剥离石墨材料的步骤，结合外加磁场，可在短时间内大量制成层数少的高度石墨化的石墨烯，利于工业上大规模生产并应用于各领域中。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

实施例1

参照图1，本发明优选实施例1提供一种量产石墨烯的设备，包括电解槽1、包含石墨初始材料的第一电极2、第二电极3、电源供应器4及过滤分离模块，电解槽1中填充电解液，还包括补液池5，补液池5出口经补液管道6与垂直设置在电解槽1中间位置的补液柱8相连，补液柱8一端处于电解槽1底部外侧，另一端延伸至电解槽1内部，补液柱8可在外部电机9带动下绕其自身轴线旋转，所述补液柱8自下而上分段设有喷嘴群10，补液柱8上靠近电解槽1的底部设置有横向搅拌棒11，搅拌棒11上错落设有上齿和下齿；所述过滤分离模块的进口通过进液管道12与电解槽1内部相连，进液管道12的管口处于电解液液面下，电解槽1内靠近进液管道的下方设置有第一过滤网13；过滤分离模块的电解液出口通过出液管道14与所述补液5池相连，所述出液管道14、补液管道6及进液管道12上分别设有第一耐腐蚀泵15、第二耐腐蚀泵16和第三耐腐蚀泵17。

所述第一耐腐蚀泵15、第二耐腐蚀泵16和第三耐腐蚀泵17及外部电机9分别通过电磁阀与控制器相连。

所述喷嘴群设置有三段，每段喷嘴群由平行的两圈喷嘴组成，每圈喷嘴沿补液柱8的圆周方向设置，每圈喷嘴的数量为5个。

所述第一过滤网13为500～800目不锈钢过滤网。

所述过滤分离模块包括依次设置的过滤器18、石墨烯收集器19和电解液收集器20，所述过滤器18内设置有纳米纤维过滤膜。

使用本实施例的设备对石墨烯进行量产的方法，包括如下步骤：

步骤[1]向电解槽中充满电解液，第一偏压下，静止状态下进行石墨初始材料的嵌入步骤；

步骤[2]于第二偏压及第三偏压下对石墨初始材料交替进行剥离操作，同时开启外部电机带动搅拌装置在一定转速下顺时针进行搅拌；

步骤[3]停止搅拌，恢复第一偏压，静置一定时间后开启第一及第三耐腐蚀泵，对石墨烯进行过滤分离操作，并收集分离出来的石墨烯；

步骤[4]关闭第一及第三耐腐蚀泵，开启第二耐腐蚀泵，同时开启外部电机，在搅拌及补液柱旋转状态下对电解槽进行补液；

步骤[6]补液完成后，重复步骤[2]-步骤[4]。

实施例2

参照图2，本发明优选实施例2提供一种量产石墨烯的设备，即在实施例1所述设备的基础上，在所述电解槽1外侧设有磁场产生装置21，所产生的磁场的NS极垂直于所述电解槽1，所述磁场产生装置21接入的是直流电。

所述磁场产生装置21由铁芯和线圈组成，所述线圈和铁芯从里至外依次环绕在所述电解槽周围。

使用本实施例的设备对石墨烯进行量产的方法，如实施例1中的制备方法所述，其中所述步骤[1]进行的同时，电解槽外侧施加有垂直于电解槽的磁场。

实施例3

参照图3，本发明优选实施例3提供一种量产石墨烯的设备，即在实施例2所述设备的基础上，还在所述电解槽内设置热电偶22，所述热电偶22与所述控制器相连，所述电解液收集器的进口处设有第一电磁开关阀23，所述石墨烯收集器19左右两侧设有冲洗管道，一侧的冲洗管道与分散液罐24相连，另一侧的冲洗管道与分散液收集罐25相连。

在本发明中，偏压系以一电流供应器来提供，其可以是直流电或交流电供应。其中第一偏压系介于+0.5伏特至+10伏特，优选为介于+2.5伏特至+5伏特，作用时间约5至10分钟。第二偏压系大于第一偏压，且介于+10伏特至+25伏特，第三偏压系使用第二偏压的负值，操作时间并分别为2秒及5秒，并交替持续5至10分钟。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。