DE102015101918A1

DE102015101918A1 - Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen

Info

Publication number: DE102015101918A1
Application number: DE102015101918.3A
Authority: DE
Inventors: Yu-Hong Lin; Chun-Jung Tsai; Chun-Hsien Tsai; Ting-Chuan Lee
Original assignee: Taiwan Carbon Nanotube Co Ltd
Current assignee: Taiwan Carbon Nano Technology Corp
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2035-02-12
Also published as: US20160145108A1; GB201502244D0; DE102015101918B4; CN105800592A; FR3028849B1; JP6069376B2; TWI499556B; GB2532523A; TW201619050A; JP2016098168A; CN105800592B; FR3028849A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen enthält die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Vielzahl von Graphitblöcken (10), die jeweils eine Vielzahl von gestapelten Graphenschichten (11) zwischen jeweils zwei Graphenschichten (11) aufweisen, die eine Verbinden darstellen, welche durch eine Van-der-Waals-Kraft gebildet wird; Anwenden eines Scherluftstroms (24), der von einer Luftstrom-Schnittstelle (23) erzeugt wird, welche zwischen einem ersten Strömungspfad (21) und einem zweiten Strömungspfad (22) von einem Vorwärtsluftstrom (20a) bzw. einem Rückwärtsstrom (20b) ausgebildet wird, auf die Graphitblöcke (10), wobei die Scherluftströmung (24) eine Energie aufweist, die ausreicht zur Beschädigung der Van-der-Waals-Kraft, um einen Teil der Graphenschichten (11) zu lösen; und Sammeln einer Vielzahl von Teilen der Graphenplättchen (30), wobei die Graphenplättchen (30) eine oder mehrere der Graphenschichten (11) aufweisen. Somit löst der Scherluftstrom (24) der vorliegenden Erfindung die Graphenschichten (11) von den Graphitblöcken (10) ab, um die Graphenplättchen (30) auszubilden, wodurch ein einfaches Herstellungsverfahren geschaffen wird und die Massenproduktion mit einer schnellen Geschwindigkeit gefördert wird.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON GRAPHENPLÄTTCHEN
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen durch einen Luftstrom.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Graphen ist ein Allotrop von Kohlenstoff und ist ein zwei-dimensionales Material, das durch Kohlenstoffatome in einer hexagonalen Wabengitteranordnung ausgebildet ist. Aus Sicht des Materials, weil die Graphen die Eigenschaften aufweisen, transparent zu sein und eine hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, ein hohes Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis und gute Duktilität zu haben, besitzt Graphen gutes Entwicklungspotenziale.
Die US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr 2010/0237296 offenbart ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung von Graphen, (”Reduction of Graphene Oxide to Graphene in High Boiling Point Solvents”). Eine einzelne Graphenoxidschicht bzw. -lage wird in Wasser dispergiert, um eine Dispersion zu erzielen, und ein Lösungsmittel wird zu der Dispersion zugegeben, um eine Lösung zu bilden. Das Lösungsmittel kann N-Methlypyrrolidone, Ethylenglykol, Glycerin, Dimethlypyrrolidone, Aceton, Tetrahydrofuran, Acetonitril, Dimethylformamid, Amin- oder Alkohol sein. Die Lösung wird dann erhitzt auf etwa 200°C und wird gereinigt, um ein Graphenblatt zu erhalten. Ferner offenbart die US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0323113 ein Verfahren, um Graphen zu synthetisieren. In der obigen Offenbarung wird ein Kohlenwasserstoff bei einer hohen Temperatur von 40°C bis 1000°C gehalten, und die Kohlenstoffatome werden in ein Substrat implantiert. Das Substrat kann aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt sein. Wenn die Temperatur absinkt, wird der Kohlenstoff abgeschieden, um aus dem Substrat zu diffundieren, um eine Graphenschicht bzw. -lage zu bilden.
Die obigen Verfahren zur Herstellung von Graphen weisen nicht nur komplizierte Prozesse auf, sondern auch langsame Herstellungs-Geschwindigkeiten, so dass der Durchsatz nicht wirksam erhöht werden kann. Daher besteht ein Bedarf für eine Lösung, die solche Probleme verbessert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Probleme von komplizierten Prozessen, langsamen Herstellungsgeschwindigkeiten und ineffizientem Durchsatz von herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Graphen zu lösen.
Um die Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Graphen bereit. Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
Im Schritt 1 wird eine Vielzahl von Graphitblöcken bereitgestellt. Jeder der Graphitblöcke weist eine Mehrzahl von gestapelten Graphenschichten auf. Eine Bindung zwischen je zwei Graphen-Schichten wird durch eine Van-der-Waals-Kraft gebildet.
Im Schritt 2 werden die Graphitblöcke in einer Kammer angeordnet, wobei eine Vorwärtsluftströmung und eine umgekehrte Luftströmung in die Kammer einbracht werden. Der Vorwärtsluftstrom bildet einen ersten Strömungspfad in der Kammer aus, und die Rückwärtsluftstrom bildet einen zweiten Luftstrom in der Kammer aus. Eine Luftstrom-Schnittstelle wird zwischen dem Vorwärtsluftstrom und dem Rückwärtsluftstrom ausgebildet.
Im Schritt S3 wird ein durch die Luftstrom-Schnittstelle erzeugter Scherluftstrom auf die Graphitblöcke angewendet. Der Scherluftstrom weist eine ausreichende Energie zur Beschädigung der van der Waals-Kraft auf, so dass ein Teil der Graphenschichten außer Eingriff kommen.
Im Schritt 4 wird eine Vielzahl von Teilen von Graphenplättchen, die außer Eingriff mit den Graphitblöcken kommen, gesammelt. Die Graphenplättchen enthalten eine oder mehrere der Graphenschichten.
Als solcher wird in der vorliegenden Erfindung, der Scherluftstrom, welcher von der Luftstrom-Schnittstelle erzeugt wird, auf die Graphitblöcke angewendet, so dass die Graphenschichten sich von den Graphitblöcken lösen, um die Graphenplättchen zu bilden. Somit stellt die vorliegende Erfindung ein einfaches Herstellungsverfahren bereit und fördert ferner die Massenproduktion mit einer hohen Geschwindigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung von Schritten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung der Verwendung einer Luftstrom-Erzeugungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A ist eine erste schematische Darstellung eines Scherluftstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine zweite schematische Darstellung eines Scherluftstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorgenannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leichter aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter geführt wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung von Schritten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine schematische Darstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 1 und 2 umfasst ein Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen der vorliegenden Erfindung folgende Schritte.
Im Schritt S1 wird eine Vielzahl von Graphitblöcken 10 bereitgestellt. Die Graphitblöcke 10 werden aus Graphen gebildet. Graphen ist ein Allotrop von Kohlenstoff. Strukturell ist jedes Kohlenstoffatom an drei andere umgebende Kohlenstoffatome gebunden, um eine Wabenanordnung darzustellen, die mehrere Hexagone aufweist. In der Ausführungsform kann die Größe der Graphitblöcke 10 Körner oder Blöcke mit einer Länge, einer Breite und einer Höhe im Bereich zwischen 10 nm und 1000 μm aufweisen. Jeder der Graphitblöcke 10 weist eine Vielzahl von gestapelten Graphenschichten 11 auf. Eine van der Waals-Kraft bildet eine Bindung zwischen jeweils zwei Graphenschichten 11 aus.
In Schritt 2 werden die Graphitblöcke 10 in einer Kammer 43 platziert, die einen Vorwärtsluftstrom 20a und einen umgekehrten Luftstrom 20b in die Kammer 43 einführt. Der Vorwärtsluftstrom 20a bildet einen ersten Strömungspfad 21 in der Kammer 43 aus, und der Rückwärtsluftstrom 20b bildet einen zweiten Strömungspfad 22 in der Kammer 43 aus. Eine Luftstrom-Schnittstelle 23 ist zwischen dem ersten Strömungspfad 21 und dem zweiten Strömungspfad 22 ausgebildet. In der Ausführungsform wird eine Konfiguration der Kammer 43 veranschaulicht, indem beispielsweise eine Luftstrom-Erzeugungseinrichtung 40 eingesetzt wird. Die Luftstrom-Erzeugungseinrichtung 40 umfasst einen ersten Eingang 41a, einen zweiten Eingang 41b, einen Luftstrom-Ausgang 42 und die Kammer 43. Der erste Eingang 41a erhält den Vorwärtsluftstrom 20a in die Kammer 43 hinein und steht in Verbindung mit der Kammer 43. Der zweite Eingang 41b erhält den Rückwärtsluftstrom 20b in die Kammer 43 hinein und steht in Verbindung mit der Kammer 43. Der Luftstrom-Auslass 42 steht in Verbindung mit der Kammer 43. Nach dem Eintritt in die Kammer 43 über den ersten Eingang 41a und den zweiten Eingang 41b, bilden der Vorwärtsluftstrom 20a und der Rückwärtsluftstrom 20b den ersten Strömungspfad 21 bzw. den zweiten Strömungspfad 22 in der Kammer aus. Ferner wird die Luftstrom-Schnittstelle 23 zwischen dem ersten Strömungspfad 21 und dem zweiten Strömungspfad 22 ausgebildet. Der Vorwärtsluftstrom 20a und der Rückwärtsluftstrom 20b können Gase sein, wie etwa Luft, trockene Luft, Stickstoff (N2), Argon (Ar), Helium (He), Wasserstoff (H2), Sauerstoff (O2) und Ammoniak (NH3). Die von dem Vorwärtsluftstrom 20a und dem Rückwärtsluftstrom 20b verwendeten Gase können dieselben oder verschieden sein.
Im Schritt 3 wird ein Scherluftstrom 24, der von der Luftstrom-Schnittstelle 23 erzeugt wird, wird auf die Graphitblöcke 10 angewendet. Der Scherluftstrom 24 hat eine ausreichende Energie zur Beschädigung der van der Waals-Kraft, um einen Teil der Graphenschichten 11 abzulösen. Mit Bezug auf 3A und 3B, zeigt 3A eine erste schematische Darstellung eines Scherluftstroms der vorliegenden Erfindung. 3b zeigt eine zweite schematische Darstellung eines Scherluftstroms der vorliegenden Erfindung. Einzelheiten hierzu werden nachstehend angegeben.
Wie in 3A gezeigt, wenn Strömungsrichtungen des ersten Strömungspfads 21 und des zweiten Strömungspfads 22 nicht fluchten, wird der Scherluftstrom 24, der von der Luftstrom-Schnittstelle 23 erzeugt wird, an zwei gegenüberliegenden Seiten des Luftstromschnittstelle 23 verteilt und ist in der Lage, die Graphitblöcke 10 zu ziehen. Wie in 3B gezeigt, wenn die Strömungsrichtungen des ersten Strömungspfads 21 und des zweiten Strömungspfads 22 sich einander begegnen bzw. aufeinanderstoßen, ist der Scherluftstrom 24, der von der Luftstrom-Schnittstelle 23 erzeugt wird, direkt einem Zentralbereich der Luftstromschnittstelle 23 zugewandt, um auf die Graphitblöcke 10 einzuwirken. In der vorliegenden Erfindung weist der Scherluftstrom 24 eine Windgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 200 m/s auf und erzeugt eine Energie größer als 0,1 KJ/Mol. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt vorzugsweise die Energie zwischen 0,1 KJ/Mol und 5 KJ/Mol. Als solches beschädigt der Scherluftstrom 24 die van der Waals-Kraft, wenn er Einfluss auf die Graphitblöcke 10 nimmt, die in der Kammer 43 angeordnet sind, so dass ein Teil der Graphenschichten 11, die miteinander durch die Van-der-Waals-Kraft verbunden sind, von den Graphitblöcken 10 gelöst werden. Ferner entweicht ein Teil des Vorwärtsluftstroms 20a und des Rückwärtsluftstroms 20b aus der Kammer 43 von dem Luftstrom-Ausgang 42 aus.
Im Schritt 4 wird eine Vielzahl von Teilen von Graphenplättchen 30, die sich von den Graphitblöcken 10 lösen, gesammelt. Die Graphenplättchen 30 enthalten eine oder mehrere der Graphenschichten 11. In Fortsetzung der Beschreibung vom Schritt 3, kann in der Ausführungsform die Luftstrom-Erzeugungseinrichtung 40 ferner einen Sammelabschnitt 44 aufweisen. Der Sammelabschnitt 44 steht in Verbindung mit der Kammer 43, so dass es den Graphenschichten 11, die sich von den Graphitblöcken 10 lösen, möglich ist, in den Sammelabschnitt 44 der Kammer 43 hinein zu fallen und aufgesammelt zu werden, um entsprechend die Graphenplättchen 30 zu erhalten, die eine oder mehrere der Graphenschichten 11 aufweisen. Die Graphenplättchen 30 können 1 bis 3.000.000 Schichten an Graphenschichten 11 aufweisen, und hat einen Durchmesser zwischen 5 nm und 1000 μm. Es sollen die obigen Werte als Beispiele dienen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung und nicht ausgelegt werden als Beschränkungen der vorliegenden Erfindung.
Zusammenfassend wird ein Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen offenbart, das die folgenden Schritten aufweist: Bereitstellen einer Vielzahl von Graphitblöcken, die jeweils eine Vielzahl von gestapelten Graphenschichten (11) zwischen jeweils zwei Graphenschichten aufweisen, die eine Bindung darstellen, welche durch eine Van-der-Waals-Kraft gebildet wird; Anwenden eines Scherluftstroms, der von einer Luftstrom-Schnittstelle erzeugt wird, welche zwischen einem ersten Strömungspfad und einem zweiten Strömungspfad von einem Vorwärtsluftstrom bzw. einem Rückwärtsstrom ausgebildet wird, auf die Graphitblöcke, wobei die Scherluftströmung eine Energie aufweist, die ausreicht zur Beschädigung der Van-der-Waals-Kraft, um einen Teil der Graphenschichten zu lösen; und Sammeln einer Vielzahl von Teilen der Graphenplättchen, wobei die Graphenplättchen eine oder mehrere der Graphenschichten aufweisen. Somit löst der Scherluftstrom der vorliegenden Erfindung die Graphenschichten von den Graphitblöcken ab, um die Graphenplättchen auszubilden, wodurch ein einfaches Herstellungsverfahren geschaffen wird und die Massenproduktion mit einer schnellen Geschwindigkeit gefördert wird.
Abschließend wird in der vorliegenden Erfindung, der Scherluftstrom, der von dem Vorwärtsluftstrom und dem Rückwärtsluftstrom an der Luftschnittstelle erzeugt wird, auf die Graphitblöcke angewendet. Die Van-der-Waals-Kraft, die eine Verbindung zwischen den Graphenschichten ausbildet, wird durch die Energie des Scherluftstroms beschädigt, um die Graphen-Schichten von den Graphitblöcken zu lösen, um die Graphen-Plättchen in großen Mengen zu bilden. Somit stellt die vorliegende Erfindung ein einfaches Herstellungsverfahren bereit und fördert ferner die Massenproduktion mit einer hohen Geschwindigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0323113 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30), umfassend: Schritt 1: Bereitstellung einer Vielzahl von Graphitblöcken (10), wobei jeder der Graphitblöcke (10) eine Vielzahl von gestapelten Graphenschichten (11) aufweist, wobei zwischen jeweils zwei Graphenschichten (11) eine Bindung durch eine Van-der-Waals-Kraft gebildet wird; Schritt 2: Platzieren der Graphitblöcke (10) in einer Kammer (43) und Einleiten eines Vorwärtsluftstroms (20a) und eines Rückwärtsluftstroms (20b) in die Kammer (43), wobei die Vorwärtsluftstrom (20a) einen ersten Strömungspfad (21) in der Kammer (43) ausbildet, der Rückwärtsluftstrom (20b) einen zweiten Strömungspfad (22) in der Kammer (43) ausbildet, wobei eine Luftstrom-Schnittstelle (23) zwischen dem ersten Strömungspfad (21) und dem zweiten Strömungspfad (22) ausgebildet wird; Schritt 3: Anwenden eines Scherluftstroms (24), der von der Luftstrom-Schnittstelle (23) erzeugt wird, auf die Graphitblöcke (10), wobei der Scherluftstrom (24) eine Energie aufweist, die ausreichend ist für eine Beschädigung der Van-der-Waals-Kraft, um einen Teil der Graphenschichten (11) zu lösen; und Schritt 4: Sammeln einer Vielzahl von Teilen der Graphenplättchen (30), wobei die Graphenplättchen (30) eine oder mehrere der Graphenschichten (11) aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach Anspruch 1, wobei im Schritt 2 die Graphitblöcke (10) in der Kammer (43) einer Luftstrom-Erzeugungseinrichtung (40) angeordnet werden, wobei die Luftstrom-Erzeugungseinrichtung (40) einen ersten Eingang (41a) zum Empfangen des Vorwärtsluftstroms (20a) aufweist und der in Verbindung mit der Kammer (43) steht, einen zweiten Eingang (41b) zum Empfangen des Rückwärtsluftstroms (20b) aufweist und der in Verbindung mit der Kammer (43) steht, und einen Luftstromauslass (42) aufweist, der in Verbindung mit der Kammer (43) steht, wobei die Luftstrom-Schnittstelle (23) den Scherluftstrom (24) auf die Graphitblöcke (10) in der Kammer (43) anwendet.
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach Anspruch 2, wobei im Schritt 3 die Luftstrom-Erzeugungseinrichtung (40) einen Sammelabschnitt (44) aufweist, in den die gelösten schicht-artigen Graphenplättchen (30) hinein fallen.
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach Anspruch 3, wobei im Schritt 4 der Sammelabschnitt (44) die Graphenplättchen (30) einsammelt.
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt 2 der Vorwärtsluftstrom (20a) ausgewählt wird aus einer Gruppe umfassend Luft, Trockenluft, Stickstoff (N2), Argon (Ar) Helium (He), Wasserstoff (H2), Sauerstoff (02) und Ammoniak (NH3).
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt 2 der Rückwärtsstrom (20b) ausgewählt wird aus einer Gruppe umfassend Luft, Trockenluft, Stickstoff (N2), Argon (Ar) Helium (He), Wasserstoff (H2), Sauerstoff (02) und Ammoniak (NH3).
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt 3 eine Windgeschwindigkeit des Scherluftstroms (24) zwischen 1 m/s und 200 m/s liegt.
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt 3 die Energie zumindest größer als 0,1 KJ/Mol ist.
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach Anspruch 8, wobei die Energie zwischen 0,1 KJ/Mol und 5 KJ/Mol liegt.
Verfahren zur Herstellung von Graphenplättchen (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Graphenplättchen (30) einen Durchmesser zwischen 5 nm und 1000 μm aufweisen.