CN103991863A

CN103991863A - 一种利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法及其装置

Info

Publication number: CN103991863A
Application number: CN201410173559.4A
Authority: CN
Inventors: 胡俊辉; 代庭振
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: CN103991863B

Abstract

本发明公开了一种利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法及其装置，该方法首先将石墨粉置于上基板和下基板之间；通过激振器使下基板进行水平振动。同时通过超声换能器使上基板进行垂直振动。待振动达到预定周期数后，将上下基板放入装有去离子水的超声波清洗器中清洗，干燥后，在上下基板上制备出石墨烯或者氧化石墨烯。本发明利用水平剪切振动与垂直振动的合理组合来生产石墨烯或氧化石墨烯。由于这些振动可通过驱动电压和频率严格可控，因此本发明的生产过程具有很高的可控性。此外还具有设备简单、操作易行、效率高、产品无皱褶等优点，并适合具有稳定性能的石墨烯或者氧化石墨烯的量产。

Description

一种利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法及其装置

技术领域

本发明涉及石墨烯或者氧化石墨烯的制备，特别是一种利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法及其制备所使用的装置。

背景技术

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构，是一种“超级材料”，是最薄却也是最坚硬的纳米材料，单层石墨烯的厚度只有0.335纳米，硬度超过钻石，重量几乎为零。它在室温下传递电子的速度比已知导体都快，可用来制造透明触控屏幕、光板，甚至太阳能电池。

目前，石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、有机合成法、氧化还原法和静电沉积法。其中化学气相沉积法是成熟的制备方法，石墨烯的产量、纯度和连续性较高，但是其需要预先沉积催化剂，反应需要高温。有机合成法的工艺相对复杂，涉及有机物大分子的激光解吸与电离，不易控制而且成本较高。氧化还原法是一种高产量的制备方法，但是石墨氧化物绝大部分是绝缘体，还原难以充分进行，官能团的引入会破坏石墨烯的晶体结构，对石墨烯的电学性能有较大的影响。静电沉积法可以通过控制电压的大小直接控制石墨烯的层数，制备出的石墨烯结构十分紧凑，工艺也比较简单，但其需要几千伏的高压，而且产量极低。

在以上几种石墨烯的制备方法中，机械剥离法利用石墨直接生成石墨烯，不使用精密设备，制作工艺简单，不经过化学氧化和还原过程，不会引入含氧官能团，不使用化学试剂，不需要高温条件，同时制备的石墨烯缺陷少，质量高，电学性能好。但其缺点是量产困难，产品尺寸小。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提供了一种生产效率高、操作简单、利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，此外本发明还提供了该制备方法所采用的设备。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其包括以下步骤：

步骤1、将石墨粉置于振动装置的上基板和下基板之间;

步骤2、通过激振器使下基板进行水平振动，与此同时，通过超声换能器使上基板进行垂直振动，待振动达到预定周期后停止；

步骤3、卸下上、下基板，将其放入装有去离子水的超声波清洗器中清洗并干燥；待上、下基板干燥后，即在上、下基板上制备出石墨烯或者氧化石墨烯。

作为改进，上述超声换能器的振动速度范围为0.1-3m/s，通过改变所述超声换能器的振动速度，控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的层数。超声换能器的频率范围最好为16KHz-5MHz，输入电压范围为0-600Vp-p。

作为改进，所述激振器所施加的振动周期数范围为1-3000个周期，通过改变所述激振器所施加的振动周期数控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的数量。

激振器所施加的振动幅度范围为0.1mm-20mm，通过改变所述激振器所施加的振动幅度控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的大小、面积。

激振器所施加的振动频率范围为0.1Hz-3000Hz，通过改变所述激振器所施加的振动频率控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的数量和层数。

作为进一步的改进，所述超声换能器与激振器均由单一频率的正弦电压驱动；或其中之一由正弦电压驱动，另一个由脉冲电压驱动。而所述超声波清洗器的清洗时间范围为0.5min-15min。

此外，本发明还提供了一种制备石墨烯或者氧化石墨烯的振动装置，其主要包括相向设置的上基板和下基板、超声换能器、以及激振器，所述上基板直接与上方的超声换能器相连，下基板通过连接支架与激振器连接。

本发明利用水平剪切振动与垂直振动的合理组合，来生产石墨烯或氧化石墨烯。由于这些振动可通过驱动电压和频率严格可控，因此本发明中的石墨烯或氧化石墨烯生产过程具有很高的可控性。综上，本发明具有如下优点：

（1）通过改变激振器的振动周期数、幅值和频率，实现对基板上石墨烯或者氧化石墨烯的数量、大小、面积的控制；通过改变超声换能器的振动速度，控制基板上石墨烯或者氧化石墨烯的层数。

（2）所采用的设备简单、操作易行、效率高、对产品无皱褶，适合具有稳定性能的石墨烯或者氧化石墨烯的大量生产。

附图说明

图1为利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法的结构示意图。

1-超声换能器、2-上基板、3-下基板、4-石墨粉、5-连接支架、6-激振器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，该方法首先将石墨粉4置于上基板2和下基板3之间。然后，通过激振器6运行，使下基板3进行水平振动。同时通过超声换能器1使上基板2进行上下振动。最后，将上下基板放入装有去离子水的超声波清洗器中清洗。待上下基板干燥后，在上下基板上制备出石墨烯或者氧化石墨烯。

下面结合实施例对本发明进行详细描述：

本发明所用超声换能器质量为0.3kg、上直径为38mm、下直径为49mm、高度为55mm；所用基板为具有300nm氧化层的2寸圆形硅基板；所用激振器的型号为HEV-2激振器，频率范围为0-100Hz，振幅为±10mm；所用石墨粉为80目天然鳞片石墨；所用连接支架材料为铝合金。

在实例1中，通过信号发生器和功率放大器对超声换能器输入频率为40KHz、电压为40Vp-p的正弦信号；对激振器输入频率为4Hz、电压为20Vp-p的正弦信号，振动周期数为120个周期，此时激振器振幅为5mm。通过超声换能器和激振器运行之后，将上下基板放入装有去离子水的超声波清洗器中清洗3min。通过原子力显微镜观察，在上下基板上发现有石墨烯的产生。经统计分析，其中单层石墨烯占到1%-5%，三层及以下石墨烯占到20%-30%，十层及以下石墨烯占到70%-75%，大小在1微米以下的占到10%左右，在 1-5微米之间的占到50%-65%。

在实例2中，通过信号发生器和功率放大器对超声换能器输入频率为40KHz、电压为80Vp-p的正弦信号；对激振器输入频率为8Hz、电压为20Vp-p的脉冲信号，振动周期数为300个周期，此时激振器振幅为3mm。通过超声换能器和激振器运行之后，将上下基板放入装有去离子水的超声波清洗器中清洗3min。通过原子力显微镜观察，在上下基板上发现有石墨烯的产生。经统计分析，其中单层石墨烯占到8%-15%，三层及以下石墨烯占到40%-50%，十层及以下石墨烯占到85%-90%，大小在1微米以下的占到20%左右，在 1-5微米之间的占到60%-70%。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将石墨粉（4）置于振动装置的上基板（2）和下基板（3）之间，添加石墨粉（4）的厚度使上、下基板（2、3）均可以接触到；

步骤2、通过激振器（6）使下基板(3)进行水平振动，与此同时，通过超声换能器(1)使上基板(2)进行垂直振动，待振动达到预定周期数后停止；

步骤3、卸下上、下基板（2、3），将其放入装有去离子水的超声波清洗器中清洗并干燥；待上、下基板干燥后，即在上、下基板上制备出石墨烯或者氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述超声换能器的振动速度范围为0.1-3m/s，通过改变所述超声换能器的振动速度，控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的层数。

3.根据权利要求2所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于所述超声换能器的频率范围为16KHz-5MHz。

4.根据权利要求2或3所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于所述超声换能器的输入电压范围为0-600Vp-p。

5.根据权利要求1、2或3所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于所述激振器所施加的振动周期数范围为1-3000个周期，通过改变所述激振器所施加的振动周期数控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的数量。

6.如权利要求5所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于：所述激振器所施加的振动幅度范围为0.1mm-20mm，通过改变所述激振器所施加的振动幅度控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的大小、面积。

7.如权利要求5或6所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于：所述激振器所施加的振动频率范围为0.1Hz-3000Hz，通过改变所述激振器所施加的振动频率控制粘附在上下基板的石墨烯或者氧化石墨烯的数量和层数。

8.如权利要求1或2所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于：所述超声波清洗器的清洗时间范围为0.5min-15min。

9.如权利要求1或2所述的利用受控振动制备石墨烯或者氧化石墨烯的方法，其特征在于：所述超声换能器与激振器均由单一频率的正弦电压驱动；或其中之一由正弦电压驱动，另一个由脉冲电压驱动。

10.一种制备石墨烯或者氧化石墨烯的振动装置，其特征在于，主要包括相向设置的上基板（2）和下基板（3）、超声换能器（1）、以及激振器（6），所述上基板（2）直接与上方的超声换能器（1）相连，下基板（3）通过连接支架（5）与激振器（6）连接。