CN107879331A - 制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法 - Google Patents

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宋健民
刘建设
王适
王海超
汪曙光
臧波
林逸樵
林弘正
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Abstract

本发明公开一种制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，为将一承载有多个石墨材料的流体输送于一管体内，该流体相对该管体的一流速大于每秒百米，而可以令该些石墨材料相对该管体的一内壁产生一高剪切力而使该些石墨材料剥离成多个石墨烯，借此，利用该流体相对该管体的流速而可产生高剪切力并剥离成多个石墨烯，而可以简化工艺程序、提高生产速度并降低制作成本。

Description

制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种制造方法，尤指一种制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)，又称单层石墨，是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是由碳原子按六边形晶格整齐排列而成的碳单质，只有一个碳原子厚度的二维材料，由于石墨烯特殊的结构形态，使其具备世界上最硬、最薄的特质，同时也具有很强的韧性导热性，亦是世界上导电性最好的材料，因此，学术界及业界皆相继投入大量的研究。
现有石墨烯制备方法如美国专利公开第US 2010/0237296号，揭示一种于高沸点溶剂中单层石墨氧化物的还原成石墨，先将单层石墨氧化物分散于水中而形成一分散液，接着，将一溶剂添加至该分散液中形成一溶液，该溶剂可为N-甲基吡咯啶酮(N-methlypyrrolidone)、乙二醇(Ethylene glycol)、甘油(Glycerin)、二甲基吡咯啶酮(Dimethlypyrrolidone)、丙酮(Acetone)、四氢呋喃(Tetrahydrofuran)、乙腈(Acetonitrile)、二甲基甲酰胺(Dimethylformamide)或胺(Amine)或醇(Alcohol)，最后，将该溶液加热至约200℃，再经纯化后，即得到单层石墨。
然而，氧化还原法会破坏石墨烯的六角环结构，使其失去石墨烯优异的性能，此外，此种工艺不仅程序繁复、生产速度慢且制作成本高，因此，如何简化工艺程序、提高生产速度以及降低制作成本，实为相关业者所欲解决的课题。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，解决现有的石墨烯制备方法工艺繁复、生产速度慢以及制作成本高的问题。
为达上述目的，本发明提供一种制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，是将一承载有多个石墨材料的流体输送于一管体内，该流体相对该管体的一流速大于每秒百米，令该些石墨材料相对该管体的一内壁产生一高剪切力而使该些石墨材料剥离成多个石墨烯。
其中，该流体为气体，该气体为氮气。
其中，该流体为液体。
其中，该液体为N-甲基吡咯烷酮。
其中，该流体为超临界流体。
其中，该超临界流体为二氧化碳或界面活性剂。
其中，该管体具有一第一管体、一第二管体与一第三管体，该第一管体与该第三管体分别连接于该第二管体的两端，且该第一管体的管径大于该第二管体的管径，该第二管体的管径大于该第三管体的管径，该流体从该第一管体流入该第二管体与该第三管体，而使该流体相对该管体的该流速大于每秒百米。
其中，该流体经由一外部接管从该第三管体的一出料口回流至该第一管体的一进料口。
其中，该第一管体的管径为100微米，该第二管体的管径为75微米，该第三管体的管径为50微米。
其中，该管体的该内壁具有相互交错设置的多个突出部与多个凹陷部。
本发明旨在解决现有的石墨烯制备方法工艺繁复、生产速度慢以及制作成本高的问题，以及解决氧化还原法会破坏石墨烯的六角环结构，使其失去石墨烯优异的性能的问题。
综上所述，本发明借由使该流体相对于该管体的流速大于每秒百米，进而产生一高剪切力而使该石墨材料剥离成多个石墨烯，相较于现有技术需要进行加热与纯化等步骤，本发明的工艺较为简单，且不需要利用额外的添加物与仪器等，可以有效的降低成本并提高生产速度，此外，本发明不会破坏石墨烯的六角环结构，而可以保持石墨烯优越的性能。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的流程示意图。
图2为本发明一较佳实施例的立体结构示意图。
图3为本发明一较佳实施例的局部剖面示意图。
其中，附图标记：
10 管体
11 第一管体
12 进料口
13 第二管体
14 第三管体
15 出料口
16 内壁
17 突出部
18 凹陷部
20 外部接管
具体实施方式
涉及本发明的详细说明及技术内容，现就配合图式说明如下：
请参阅图1至图3所示，本发明为一种制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，并具有以下步骤：
步骤S1：将一承载有多个石墨材料的流体输送于一管体10内，而该些石墨材料各包含有多个相互层叠的石墨烯，且该些石墨烯之间具有一键结力，本发明的该些石墨烯不以单层为限，实务上来说，小于十层皆可通称为石墨烯，单层石墨烯的拉伸强度为钢的200倍，导电率为铜的100倍，又石墨的结晶度可由X-光绕射(XRD)的d0002看出，理论的层距为3.35埃结晶度差，当层距加大，基面侧向尺寸变小，石墨烯优越的性质就会降低。本实施例中，该流体可以为气体、液体或超临界流体，气体可以为氮气，液体可以为N-甲基吡咯烷酮(NMP)，而超临界流体可以为二氧化碳或界面活性剂。
步骤S2：利用一外部装置(图未示)施加一作用力给该流体，使该流体相对于该管体10的一流速大于每秒百米，而令该些石墨材料相对该管体10的一内壁16产生一高剪切力，如此一来，利用该高剪切力破坏该键结力，而可以使该些石墨材料剥离成多个石墨烯，其中，该些石墨烯的基面侧向尺寸大于50纳米(nm)，由于该些石墨烯本身的强度强于该键结力千倍，故该剪切力仅会破坏该键结力，而不会破坏该些石墨烯的六角环结构，故可以保持其优越的性能。而于本实施例中，该管体10具有相互连接的一第一管体11、一第二管体13与一第三管体14，该第一管体11与该第三管体14分别连接于该第二管体13的两端，且该第一管体11的管径大于该第二管体13的管径，该第二管体13的管径大于该第三管体14的管径，当该流体从该第一管体11流入该第二管体13与该第三管体14时，由于管径的缩小，而会使得该流速增加，以减少该外部装置所需施加的作用力。
举例来说，该第一管体11、该第二管体13、该第三管体14的管径可以分别为100微米、75微米、50微米，为阶段式渐缩，而可以使该流体的流速大于每秒百米，甚至可以到达每秒千米，使压力介于100MPa至200Mpa之间，此外，该第一管体11、该第二管体13、该第三管体14的材质可以为钻石，而具有耐磨的特性。
续搭配参阅图3所示，本实施例中，该管体10的该内壁16亦可以具有多个突出部17与多个凹陷部18，该些突出部17与该些凹陷部18彼此相互交错设置，而形成波浪状，可以使该些石墨材料不断涨合，松动石墨烯层距，当该些石墨材料由该第一管体11进入该第二管体13与该第三管体14时，更容易剥离成该些石墨烯，亦可以额外设置一超音波机(图未示)来帮助进行剥离。
步骤S3：由于该高剪切力的大小与作用方向的不同，每次可以剥离数层该些石墨烯，但该些石墨材料可以具有数百万甚至数千万层的石墨烯，故可以将该流体经由一外部接管20而从该第三管体14的一出料口15回流至该第一管体11的一进料口12，并重复循环上述步骤S1～步骤S2，直至将该些石墨材料都剥离成该些石墨烯为止。举例来说，以N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌成约1/3固含量的该流体，以200MPa的压力射出循环约200次，可得大于三分之一的该些石墨材料剥离成1至5层的石墨烯，并由X-光绕射(XRD)的d0002可知，单晶石墨烯的基面侧向尺寸为微米级，其储电量为一般市售的纳米级用于锂离子电池的正级的三倍。
综上所述，本发明具有以下特点：
一、借由利用该高剪切力而可使该些石墨材料剥离成该些石墨烯，相较于现有技术需要进行加热、纯化等步骤，本发明的工艺更为简单，且生产速度快、制作成本低。
二、借由该第一管体的管径大于该第二管体的管径、该第二管体的管径大于该第三管体的管径的设置，使该流体从该第一管体流入该第二管体与该第三管体时，该流速会增加，可减少外部装置所需施加的作用力，降低成本。
三、借由该些石墨烯本身的强度强于该键结力千倍，故该剪切力仅会破坏该键结力，而不会破坏该些石墨烯的六角环结构，故可以保持其优越的性能。
四、借由该些突出部与该些凹陷部彼此相互交错设置，可以使该些石墨材料不断涨合，松动石墨烯层距，而容易剥离成该些石墨烯。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，是将一承载有多个石墨材料的流体输送于一管体内，该流体相对该管体的一流速大于每秒百米，令该石墨材料相对该管体的一内壁产生一高剪切力而使该石墨材料剥离成多个石墨烯。
2.根据权利要求1所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该流体为气体，该气体为氮气。
3.根据权利要求1所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该流体为液体。
4.根据权利要求3所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该液体为N-甲基吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该流体为超临界流体。
6.根据权利要求5所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该超临界流体为二氧化碳或界面活性剂。
7.根据权利要求1所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该管体具有一第一管体、一第二管体与一第三管体，该第一管体与该第三管体分别连接于该第二管体的两端，且该第一管体的管径大于该第二管体的管径，该第二管体的管径大于该第三管体的管径，该流体从该第一管体流入该第二管体与该第三管体，而使该流体相对该管体的该流速大于每秒百米。
8.根据权利要求7所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该流体经由一外部接管从该第三管体的一出料口回流至该第一管体的一进料口。
9.根据权利要求7所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该第一管体的管径为100微米，该第二管体的管径为75微米，该第三管体的管径为50微米。
10.根据权利要求1所述的制造基面侧向尺寸大于50纳米的石墨烯的方法，其特征在于，该管体的该内壁具有相互交错设置的多个突出部与多个凹陷部。
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