TWI452174B - 一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置 - Google Patents

Description

一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置

本發明係有關於一種生產石墨烯之裝置，特別是關於一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置。

2004年英國曼徹斯特大學A.K.Geim教授的研究團隊將石墨薄片黏貼在一片膠布上，用另一片膠帶黏貼石墨薄片的另一面，再將兩片膠帶撕開時，會將石墨剝離成兩片更薄的石墨薄片，把這得到的石墨薄片再黏貼膠帶然後再撕開，重覆膠帶剝離步驟數次，可得得小片單層原子厚度的石墨烯。石墨烯經穿透式電子顯微鏡觀察，顯示石墨烯薄膜中的碳原子排列具高次序性。

石墨烯具有許多優異性質，如高機械強度(~1,100GPa)，薄膜堅固易脆，但又可以曲折；氣體無法穿透石墨烯薄膜；導熱系數高達5300W/m‧K，比奈米碳管和金鋼石好，在室溫下，石墨烯的電子遷移率(electron mobility)超過15000cm2/V‧s，比奈米碳管(約10000cm2/V‧s)高，更是矽晶(1400cm2/V‧s)的10倍以上；其電阻為約10-6Ω‧cm，比銅或銀金屬更低。

目前製備石墨烯的方法約為四種：(1)以機械剝離方式，從石墨材料製備出石墨烯，此方式可簡易快速獲得單層或多層的石墨烯，但只能小量製造；(2)以化學氣相沉積 法或磊晶成長法製備石墨烯，利用通入熱裂解的碳氫化合物氣源並沉積在鎳片或銅片上，其特色為可製備出大面積單層或多層石墨烯，但其缺點為均勻性與厚度難以控制；(3)於絕緣體基材上生長石墨烯，例如於碳化矽表面可生長極薄的石墨烯，其缺點為價格昂貴且難以製備大面積；(4)利用有機酸性溶劑進行插層製備出氧化石墨烯(GO)，再經由還原程序得到石墨烯，其缺點為處理時間長，且還原後之石墨烯容易變形與翹曲，使得石墨烯品質良莠不齊。

另外，還有利用電化學的方式，於室溫下透過電壓的改變，即可完成石墨烯薄片的製作，其特色為無需進行高溫還原步驟，故能簡化製程，較易達成大尺寸石墨烯薄片的製作。

如上所述，電化學法生產石墨烯的方法有其製程簡單、快速、高品質、大面積化的優點，因此，業界目前極需一種以連續式自動化利用電化學方法使石墨電極剝離出石墨烯薄片生產方式及裝置，可以因而減少人工作業時間，並可大量產製石墨烯薄片，所以，本發明提出連續式電化學法生產石墨烯之裝置，如此一來，可以同時兼具成本與時效，無須高溫還原製程，而可達到快速、大量量產而獲得高品質石墨烯薄片的目的。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提 供一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置，整合一電化學單元、一過濾單元、一引流道、一分級收集單元，以製備出高品質之石墨烯薄片。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其包括：一電化學單元，其係利用電化學法剝離出石墨烯薄片；一過濾單元，其係用以分離石墨烯薄片與電解液；一引流道，連接該電化學單元，其係用以輸送石墨烯薄片與電解液至該過濾單元；一分級收集單元，接收該過濾單元分離出之石墨烯薄片，其係用以分離不同尺寸之石墨烯薄片。

上述電化學單元包含一正負極定時切換直流電源、一輔助加熱裝置、一電解槽及一石墨電極組，其中，正負極定時切換直流電源連接該石墨電極組，該石墨電極組並促使設置於電解槽中的電解液發生電化學反應。該石墨電極組係由至少二根以上、偶數之石墨電極所組成，包含半數用作陽極的石墨電極及半數用作陰極的石墨電極，石墨電極可選自天然石墨、高結晶性石墨、焦碳系人工石墨、介相瀝青系人工石墨、高分子系人工石墨、碳纖維、石墨纖維、碳/碳複合材料等其中之一，該石墨電極同極性電極彼此間的電位關係可採用並聯的方式連結，在空間上則彼此交錯、間隔以相反極性的石墨電極而構成一陣列式組合，再分別通以正電或負電，利用電化學的反應搭配適當的電 解液，即可產出石墨烯薄片；另外，該石墨電極也可採用串連的方式串連成兩組石墨電極，再分別通以正負電，正負石墨電極間即可發生電化學均衡反應。該正負極定時切換直流電源連接石墨電極，供與石墨電極組正負電以利電化學反應進行，同時，可控制時間完成電極轉換，讓石墨電極組中的電極做電性轉換，以促進電化學反應；而該輔助加熱裝置係利用微波、超音波及非接觸加熱等裝置，對整個電化學單元進行加熱動作以增加石墨烯產出效率。

電化學單元旁可設置一電解液調配槽，該電解液調配槽設置於該電解槽一側，該電解液調配槽底部位置高於該電解槽中電解液液面。另外，可設置電解液監控裝置，該電解液監控裝置包含酸鹼值檢測計及電解液液面監控裝置，當檢測出電解槽中的電解液的酸鹼值未符合設定值時或電解液液面監控裝置檢測出電解液的高度未達某一設定值時，電解液調配槽可將其調製好的電解液送入電解槽中。

引流道，其一端連接該電化學單元，另一出口端可設置於該過濾單元上方，引流道之兩端並不呈現水平狀態，具有一傾斜角度，當電化學單元產出石墨烯薄片時，石墨烯薄片將浮於電解液上；引流道的功能在於運輸電解液及石墨烯薄片，利用傾斜的角度，便可將液流出的電解液及石墨烯薄片運輸到過濾單元。

過濾單元包含一迴轉式濾帶及一電解液回收槽，其 中，迴轉式濾帶係為一網狀結構，且迴轉式濾帶寬度大於該引流道出口端，當引流道運輸電解液及石墨烯薄片到迴轉式濾帶時，網狀結構網住石墨烯薄片，而電解液順流而下至該電解液回收槽，完成電解液及石墨烯薄片的過濾分離作業。

迴轉式濾帶係為具備垂直方向的迴轉式濾帶，該迴轉式濾帶上的石墨烯薄片可藉由重力掉落，讓分級收集單元得以接收該過濾單元分離出之石墨烯薄片，因此該分級收集單元可設置於該迴轉式濾帶下方，其結構為包含網狀結構之複數篩網，各篩網具有不同的網狀結構，並設置一篩網震動裝置，最主要的目的，係利用該篩網震動裝置用以震動該篩網，至使石墨烯薄片可因震動及不同網狀結構的篩網，分離出不同尺寸大小的石墨烯薄片，完成石墨烯薄片的分級作業。

上述的裝置中，可在電化學單元旁設置一去離子水儲存槽，內含去離子水，其目的是利用去離子水噴灑在迴轉式濾帶上，利用去離子水幫助石墨烯薄片離開迴轉式濾帶而落入該分級收集單元。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

本發明主要是利用電化學方法使石墨電極剝離出石墨烯薄片懸浮於電解液液面，再透過電解液調配槽對電解槽連續注入電解液方式，使液面升高溢出槽體，造成電解液流入電解液引流道。石墨烯薄片隨電解液漂流至連續迴轉式濾帶，而沾附於迴轉式濾帶表面，同時利用由內而外噴灑去離子水方式，將沾附於迴轉式濾帶表面之石墨烯薄片沖刷至分級收集單元，並利用濾網結構過篩收集石墨烯薄片，同時將電解液沖刷去除。並利用設置酸鹼值檢測計與電解液液面監控裝置，以利電解液適時補充，維持系統連續運作。

請參考第一圖，為一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置示意圖。如圖所示，本發明提供一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置，包括：一電化學單元，其係利用電化學法剝離出石墨烯薄片，包含一正負極定時切換直流電源111、一輔助加熱裝置112、一電解槽113及至少一石墨電極組114；一過濾單元，其係用以分離石墨烯薄片與電解液110，包含一迴轉式濾帶131、一電解液回收槽132；一引流道，連接該電化學單元，其係用以輸送石墨烯薄片與電解 液至該過濾單元130；一分級收集單元140，接收該過濾單元分離出之石墨烯薄片，其係用以分離不同尺寸之石墨烯薄片。

請參考第二圖，為一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置上視圖。如圖所示，本發明電化學法包含一正負極定時切換直流電源211，其具有供應固定電流與每間隔一段時間定時自動切換極性方向的功能；該正負極定時切換直流電源211連接石墨電極組214，提供石墨電極組214直流電源，該石墨電極組214至少包含兩根石墨電極，一為用作陽極(接正電)之石墨電極，一為用作陰極(接負電)之石墨電極，但不以此為限，可以包含複數陽極之石墨電極及複數陰極之石墨電極，同極性電極間的電位關係使用並聯方式連結，在空間上彼此交錯排列，其間以相反極性的石墨電極穿插其中而構成一陣列形式的組合。本實施例中，該石墨電極組214使用並聯方式去實施一電化學法，其設置於一電解槽213裡，該電解槽213裡放置電解液110，電解液成分可包含硫酸成分或氫氧化鉀成分，當該石墨電極組214通電後，石墨烯薄片經電化學法的嵌入(intercalation)、剝離(exfoliation)等過程後，將出現、漂浮在電解液中。電解槽213裡另設置有一輔助加熱系統，例如其可是微波、超音波或非接觸等加熱裝置，該輔助加熱系統的主要功能有二，其一為提供石墨電極與電解液熱能，以加速其電化學反 應；其二為保持系統恒溫，以利石墨烯產品性質穩定。

本發明包含一引流道220，其一端連接在電解槽213上，另一端出口位於過濾單元上方，該引流道220兩端並未呈現水平狀況，具有一傾斜角度，連接在電解槽213的一端位置較高，當石墨烯薄片產出時，電解液及石墨烯薄片會藉由引流道220被運輸到過濾單元上，該引流道220與過濾單元可做直接連接過濾單元或如本實施例所示，該引流道220的出口端為開放式設計，利用重力運輸該電解液110及石墨烯薄片到過濾單元，；本實施例中過濾單元設置於引流道220下方，其寬度設計較引流道220的出口端寬度為大，以方便承接電解液及石墨烯薄片，當電解液110及石墨烯薄片通過該過濾單元時，石墨烯薄片會被具有網狀結構的迴轉式濾帶231所承接住，電解液則落入電解液回收槽232中，如此一來，便完成石墨烯薄片與電解液的分離。

上述流程中，電解槽213中的電解液110液面高度必須高於引流道220，方能將電解液及石墨烯薄片藉由引流道220運輸到過濾單元，因此，電解槽213中的電解液液面必須維持在一固定高度。本實施例中，利用落入電解液回收槽232中的電解液，將該電解液經過管道262運輸到電解液調配槽250中，經過適當的調配之後，再將該電解液回補到電解槽213中，如此一來，便能維持電解槽213中的電解液液面高度。另外，可利用酸鹼值檢測計與電解液液面監控 裝置隨時監控電解液狀況，以進行電解液110補充。

迴轉式濾帶131的移動方向包含水平的移動方向，以及垂直的移動方向，當石墨烯薄片落在迴轉式濾帶131時，石墨烯薄片在迴轉式濾帶131的上方，並進行一水平方向的移動，此時，石墨烯薄片與電解液會分離開來；當石墨烯薄片在迴轉式濾帶131做垂直方向的移動時，因重力因素，一部份石墨烯薄片將落入分級收集單元140，其他石墨烯薄片仍在迴轉式濾帶131上；當迴轉式濾帶131再進行水平方向的移動時，此時，石墨烯薄片在迴轉式濾帶131的下方，本實施例中可再利用噴灑頭163噴灑去離子水，利用水柱及重力的力量，致使石墨烯薄片可以落入分級收集單元140。

分級收集單元設置於該迴轉式濾帶下方，其包含網狀結構之複數篩網141，各篩網141包含不同網狀結構，例如可設置不同大小的網洞結構篩網141，網洞越大者設置於上方，網洞越小者設置於下方，如此一來，可藉由不同尺寸篩網141的篩選，將完成不同大小石墨烯薄片的分離，同時，藉由一篩網震動裝置142去震動該篩網141，將可增加不同大小石墨烯薄片的分離效率。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範 圍，應如後述之申請專利範圍所列。

110‧‧‧電解液

111、211‧‧‧正負極定時切換直流電源

112‧‧‧輔助加熱裝置

113、213‧‧‧電解槽

114、214‧‧‧石墨電極組

120、220‧‧‧引流道

131、231‧‧‧迴轉式濾帶

132、232‧‧‧電解液回收槽

140‧‧‧分級收集單元

141‧‧‧篩網

142‧‧‧篩網震動裝置

150、250‧‧‧電解液調配槽

160‧‧‧去離子水儲存槽

161、162、262‧‧‧管道

163、251‧‧‧噴灑頭

171‧‧‧流量控制閥

172‧‧‧液體幫浦

第一圖係為本發明一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置示意圖；第二圖係為本發明一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置上視圖。

110‧‧‧電解液

111‧‧‧正負極定時切換直流電源

112‧‧‧輔助加熱裝置

113‧‧‧電解槽

114‧‧‧石墨電極組

120‧‧‧引流道

131‧‧‧迴轉式濾帶

132‧‧‧電解液回收槽

140‧‧‧分級收集單元

141‧‧‧篩網

142‧‧‧篩網震動裝置

150‧‧‧電解液調配槽

160‧‧‧去離子水儲存槽

161、162‧‧‧管道

163‧‧‧噴灑頭

171‧‧‧流量控制閥

172‧‧‧液體幫浦

Claims (16)

1. 一種連續式電化學法生產石墨烯之裝置，包括：一電化學單元，其係利用電化學法剝離出石墨烯薄片；一過濾單元，其係用以分離石墨烯薄片與電解液；一引流道，連接該電化學單元，其係用以輸送石墨烯薄片與電解液至該過濾單元；一分級收集單元，接收該過濾單元分離出之石墨烯薄片，其係用以分離不同尺寸之石墨烯薄片；其中，利用該過濾單元中的電解液回送至該電化學單元以控制該電化學單元中液面的高度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該電化學單元係包含一正負極定時切換直流電源、一輔助加熱裝置、一電解槽及一石墨電極組。
3. 如申請專利範圍第2項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該石墨電極組係包含通正電用之石墨電極、通負電用之石墨電極。
4. 如申請專利範圍第3項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該石墨電極係選自天然石墨、高結晶性石墨、焦碳系人工石墨、介相瀝青系人工石墨、高分子系人工石墨、碳纖維、石墨纖維、碳/碳複合材料其中之一。
5. 如申請專利範圍第3項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該石墨電極係以串聯或並聯方式排列。
6. 如申請專利範圍第2項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，更包含一電解液調配槽，其中，該電解液調配槽設置於該電解槽一側，該電解液調配槽底部位置高於該電解槽中電解液液面。
7. 如申請專利範圍第2項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該輔助加熱裝置係選自微波、超音波、非接觸加熱裝置其中之一。
8. 如申請專利範圍第2項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，更包含一電解液監控裝置，其中，該電解液監控裝置係包含酸鹼值檢測計及電解液液面監控裝置。
9. 如申請專利範圍第1項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該引流道具一傾斜角度，其包含一出口端，該出口端設置於該過濾單元上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該過濾單元係包含一迴轉式濾帶、一電解液回收槽。
11. 如申請專利範圍第10項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，該迴轉式濾帶寬度大於該出口端寬度。
12. 如申請專利範圍第10項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該迴轉式濾帶係包含一網狀結構。
13. 如申請專利範圍第1項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，其中，該分級收集單元設置於該迴轉式濾帶下方，其係包含網狀結構之複數篩網，各篩網具有不同的網狀結構。
14. 如申請專利範圍第13項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，更包含一篩網震動裝置，其中，該篩網震動裝置係用以震動該篩網。
15. 如申請專利範圍第1項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，更包含一噴灑頭，其中，該噴灑頭係用以噴灑去離子水至該迴轉式濾帶。
16. 如申請專利範圍第1項所述之連續式電化學法生產石墨烯之裝置，更包含一去離子水儲存槽，其中，該去離子水儲存槽係設置於該電解槽之一側。