一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，其技术要点是：包括作为负极的石墨棒、作为正极的石墨圆筒、陶瓷坩埚及水槽，所述石墨棒悬浮设于石墨圆筒内，所述石墨圆筒悬浮设于陶瓷坩埚内，所述石墨圆筒周围设有感应线圈，所述陶瓷坩埚3外缠绕有高频感应线圈，所述水槽内装有冷却水。本实用新型的石墨棒接电源的正极，石墨圆筒接电源负极，由高频感应线圈产生的涡流和正负极之间产生的电场协同作用，使溶液中的插层剂进入石墨圆筒表面内而使石墨圆筒石墨快速剥落，最终得到薄层石墨烯。
【专利说明】
一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置
技术领域
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[0001]本实用新型涉及石墨烯的制备领域，具体涉及一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置。
【背景技术】
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[0002]自从英国物理学家发现并揭示石墨烯独特的性质以来，石墨烯从此进入大众视野，成为材料家族中光芒四射的新星，更有人将其称之为“改变21世纪的材料”。近几年来，石墨烯作为一种独特的先进碳材料，正在掀起一场席卷全球的颠覆性产业革命。它是世界上目前已发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本单元结构，也是世界上已发现的最薄、强度最高的纳米材料，其强度为普通钢铁材料的10倍。同时具有超强的导电性，是世界上已知的电阻率最小的材料，此外，石墨烯还具有出色的室温导热性和透光性。石墨烯独特且优异的特性使产业界看到了其在电子、航天、军工、生物、新能源、半导体等领域的应用潜能，成为国际上的研究热点和克争焦点。
[0003]2004年，英国曼彻斯特大学的科学家使用机械剥离法首次制备并观察到单层石墨烯，开启了石墨烯材料的研究热潮，新的石墨烯制备方法层出不穷，比如化学剥离法、化学气相沉积法、离子体刻蚀法、外延生长法、电化学法、电弧法、溶剂热法等。然而，低成本、大面积、高质量的石墨烯宏量制备技术仍是当前此领域所面临的主要困难和挑战。目前常用的制备方法主要有四种:机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法。
[0004]微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但不能满足工业化、规模化的生产要求。两位英国科学家从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯，方法目前只能用于实验室制备。
[0005]化学气相沉积法(CVD法)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。具体方法是先在基底表面形成一层过渡金属薄膜，以此金属膜为催化剂，以CH4为碳源，经气相解离后在过渡金属膜表面形成石墨烯片层，最后通过酸液腐蚀金属膜得到石墨烯。化学气相沉积法可以制备出大面积且性能优异的石墨烯薄膜材料，现有的工艺不成熟以及成本较高都限制了其大规模应用，因此还需要进一步探索、完善。
[0006]SiC外延法可得到单层或少数层较为理想的石墨烯，但是成本较高。SiC本身就是一种性能优异的半导体材料，与目前的Si基半导体工艺相兼容(不需要转移)，因此这种方法生长的石墨烯是最有可能实现C基集成电路的有效途径之一。但是单晶SiC的价格昂贵，石墨烯的制作成本非常高，而且生长条件也很苛刻，目前还难以实现大面积制备，不利于后续石墨烯的转移。
[0007]氧化还原法是将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。氧化还原法能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯，目前成为制备石墨烯的效率最高的方法。但是在氧化还原过程中，非常容易发生不可逆转的团聚现象，而且石墨烯的电子结构以及晶体的完整性容易受到强氧化剂的破坏，即使被强还原剂还原后，石墨烯的原始结构也不能完全恢复，进而在一定程度上限制了石墨烯在精密微电子领域的应用。更重要的是，由于强酸和强氧化剂、强还原剂等的使用，在石墨烯制备过程中产生大量的废液，会造成严重的环境污染。
【实用新型内容】:
[0008]本实用新型为克服上述不足，提供了一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，其质量可控，适合产业化生产。
[0009]本实用新型的电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，采用的技术方案在于:包括作为负极的石墨棒、作为正极的石墨圆筒、陶瓷坩祸及水槽，所述石墨棒悬浮设于石墨圆筒内，所述石墨圆筒悬浮设于陶瓷坩祸内，所述石墨圆筒周围设有感应线圈，所述陶瓷坩祸3外缠绕有高频感应线圈，所述水槽内装有冷却水。
[0010]进一步地，所述石墨棒与石墨圆筒之间的径向距离为20-50mm。
[0011]进一步地，所述感应线圈的频率为4000-10000HZ。
[0012]进一步地，高频感应线圈的功率为10-20KW。
[0013]本实用新型的有益效果是:本实用新型采用等静压高纯石墨制成石墨棒和石墨圆筒作为两个电极，石墨棒为负极，石墨圆筒为正极，将电极放在陶瓷坩祸容器中，陶瓷坩祸容器内放入一定比例硫酸钾和稀硫酸配制成的电解质溶液，陶瓷坩祸容器外面安装高频感应线圈，石墨棒接电源的正极，石墨圆筒接电源负极，由高频感应线圈产生的涡流和正负极之间产生的电场协同作用，使溶液中的电解质溶液进入石墨圆筒表面内而使石墨圆筒石墨快速剥落，最终得到薄层石墨烯。本实用新型在整个制备过程中没有加入浓硫酸、强碱和强氧化剂，绿色环保、工艺简单、便于产业化生产。
【附图说明】
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[0014]图1为本实用新型中装置的结构示意图。
【具体实施方式】
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[0015]实施例一
[0016]参照图1，本实用新型的电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，包括作为负极的石墨棒1、作为正极的石墨圆筒2、陶瓷坩祸3及水槽5，所述石墨棒I悬浮设于石墨圆筒2内，所述石墨圆筒2悬浮设于陶瓷坩祸3内，所述石墨圆筒2周围设有感应线圈，所述陶瓷坩祸3外缠绕有高频感应线圈4，所述水槽5内装有冷却水。所述石墨棒I与石墨圆筒2之间的径向距离为20-50mm。
[0017]使用时，向陶瓷坩祸3内加入电解质溶液，在石墨棒I和石墨圆筒2之间施加5-10V的电压，同时给石墨圆筒2周围的感应线圈通电产生电磁场，使石墨圆筒2表面产生感应祸流，从而在石墨圆筒2表面发生电场与磁场的相互作用而使石墨烯从石墨圆筒2表面剥离。所述感应线圈的频率为4000-10000HZ，高频感应线圈4的功率为10-20KW。所述石墨棒I与石墨圆筒2所用石墨为99.9%的等静压高纯石墨。所述电解质溶液为硫酸钾和稀硫酸水溶液。
【主权项】
1.一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，其特征在于:包括作为负极的石墨棒(I)、作为正极的石墨圆筒(2)、陶瓷坩祸(3)及水槽(5)，所述石墨棒(I)悬浮设于石墨圆筒(2)内，所述石墨圆筒(2)悬浮设于陶瓷坩祸(3)内，所述石墨圆筒(2)周围设有感应线圈，所述陶瓷坩祸(3)外缠绕有高频感应线圈(4)，所述水槽(5)内装有冷却水。2.如权利要求1所述的一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，其特征在于:所述石墨棒(I)与石墨圆筒(2)之间的径向距离为20-50mm。3.如权利要求1所述的一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，其特征在于:所述感应线圈的频率为4000-1OOOOHZ。4.如权利要求1所述的一种电场与磁场协同作用快速制备石墨烯的装置，其特征在于:高频感应线圈(4)的功率为10-20KW。
【文档编号】C01B31/04GK205687563SQ201620615704
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月21日 公开号201620615704.4, CN 201620615704, CN 205687563 U, CN 205687563U, CN-U-205687563, CN201620615704, CN201620615704.4, CN205687563 U, CN205687563U
【发明人】王振廷, 毕春江
【申请人】哈尔滨富莱德科技开发有限公司