TWI541194B - 製備石墨烯的電化學法 - Google Patents

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製備石墨烯的電化學法
本發明關於一種製備石墨烯的方法，且特別攸關一種製備石墨烯的電化學法，其透過震盪所使用的電解液來提升石墨烯產量。
石墨烯為一種碳原子以sp2混成軌域組成之六角蜂巢狀的二維結構，且具有相當於單一碳原子的厚度。至今，已知石墨烯具有達200,000cm2/V的載子遷移率，且亦具備優異的導熱與光穿透特性。因此，石墨烯已廣泛地用於半導體、觸控面板或太陽能等相關領域中。
目前製備石墨烯的方法主要有：機械剝離法、磊晶成長法、化學氣相沉積法、化學剝離法、電化學法。機械剝離法與磊晶成長法雖可產生較佳品質的石墨烯，但兩者卻無法製造出大面積的石墨烯。化學氣相沉積法則須使用達1,000℃且昂貴的金屬，並且須耗費數小時始能完成。化學剝離法須在高溫下還原石墨氧化物(graphite oxide)。電化學法請參照Carbon 50(2012)142-152，係先將石墨與鉑箔浸於含0.1M十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate，SDS)的水溶液中，接著通電讓石墨作為陽極以嵌入十二烷基硫酸根，最後通電讓石墨作為陰極以剝離並取得石墨烯。然而，此種電化學法無法得到大量的石墨烯，因此確實有必要對此問題提出改善。
本發明之一目的在於改善習知製備石墨烯之電化學法存在的低產量問題。
於是，為實現上述及/或其他目的，本發明提出一種新穎之製備石墨烯的電化學法，其包含下列步驟：將一石墨工作電極與一輔助電極置於一電解液中，電解液含有八烷基硫酸鈉(sodium octyl sulfate，SOS)、十烷基硫酸鈉(sodium decyl sulfate)、十二烷基硫酸鈉、或十四烷基硫酸鈉(sodium myristyl sulfate)；於對電解液震盪下，提供一正偏壓予石墨工作電極；以及於對電解液震盪下，提供一負偏壓予石墨工作電極。
依本發明，此電化學法製得之石墨烯的產量至少相對於習知電化學法製得之石墨烯的產量高。
S1至S5‧‧‧步驟
圖1為一流程圖，說明本發明一實施方式之製備石墨烯的電化學法。
圖2為一穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)照片，顯示製備例1得到的石墨烯。
為能更明顯易懂本發明上述及/或其他目的、功效、特徵，下文特舉較佳實施例，作詳細說明：於本發明之一實施方式，提出一種製備石墨烯的電化學法，其步驟如圖1所示並說明如下：首先，步驟S1係將一石墨工作電極與一輔助電極置於一電解液中，而電解液含有八烷基硫酸鈉、十烷基硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、或十四烷 基硫酸鈉。輔助電極的實例可以為但不限於鉑電極、石墨電極、或不銹鋼電極。此外，於本實施方式，石墨工作電極及輔助電極的距離為0.4至1cm，而電解液中之八烷基硫酸鈉、十烷基硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、或十四烷基硫酸鈉的濃度為0.025至0.1M。由於後續步驟會提供石墨工作電極偏壓，故於此步驟，更可將一參考電極置於電解液中，藉以確保偏壓為穩定的。而參考電極的實例可以為但不限於銀/氯化銀電極、飽和甘汞電極、或標準氫電極。
其次，步驟S2係於對電解液震盪下，提供一正偏壓予石墨工作電極。正偏壓的提供可讓電解液中的八烷基硫酸根、十烷基硫酸根、十二烷基硫酸根、或十四烷基硫酸根嵌入至石墨工作電極並造成石墨工作電極膨脹，而對電解液震盪可促使上述陰離子於石墨工作電極的嵌入。因此，震盪與正偏壓的條件理論上不應受任何限制。若採用超音波來達成此步驟的震盪，超音波的功率可為192至640W，頻率可為37至60kHz。此外，於本實施方式，正偏壓為+0.5至+30V，而此步驟的實施時間為6小時。
接著，步驟S3係於對電解液震盪下，提供一負偏壓予石墨工作電極。負偏壓的提供可讓膨脹的石墨工作電極剝離成石墨烯，而對電解液震盪可促進膨脹之石墨工作電極的剝離。因此，震盪與負偏壓的條件理論上不受任何限制。若採用超音波來達成此步驟的震盪，超音波的功率可為192至640W，頻率可為37至60kHz。此外，於本實施方式，負偏壓為-0.0001至-5V，而此步驟的實施時間為2小時。
然後，步驟S4係對電解液離心，以取得一上層液。在步驟S3，石墨烯會分散於電解液中，故此步驟可移除團聚或顆粒較大的石墨烯。換言之，於對電解液離心後，電解液可分為上層液及一下層固體，而下層固體主要是團 聚或顆粒較大的石墨烯，上層液則主要是分散或顆粒較小的石墨烯。
最後，步驟S5係對上層液離心，以取得一下層物。此步驟可集中分散或顆粒較小的石墨烯於此處的下層物。
須指明的是，步驟S4及S5的目的是進一步自電解液分離出所需的石墨烯，故此二步驟可視情況實施。
茲以下述實施例，例示說明本發明的實施方式。
《製備例1》
首先，將石墨工作電極、鉑輔助電極及銀/氯化銀參考電極置於三極式電解槽內的0.1M十二烷基硫酸鈉水溶液，石墨工作電極與鉑輔助電極的距離約為0.5cm。
其次，將三極式電解槽置於超音波震盪機內，並將上述三電極電性連接至雙恆電位儀。
然後，啟動超音波震盪機而提供超音波(功率：240W，頻率：50至60kHz)來震盪水溶液。於震盪的同時，開啟雙恆電位儀而先提供+2.977V正偏壓予石墨工作電極約6小時，再提供-0.0224V負偏壓予石墨工作電極約2小時。
之後，以1,000rpm轉速離心水溶液10分鐘，並取離心後的上層液。
最後，加入去離子水至得到的上層液，並以13,000rpm轉速離心所得的混合液10分鐘。取於此離心後的下層物，即為石墨烯(如圖2)。
本製備例得到之石墨烯的重量約為0.00083g。
《製備例2》
本製備例的石墨烯為依照製備例1所示的方法製得的，除了以八 烷基硫酸鈉水溶液取代十二烷基硫酸鈉水溶液外。
《對照例》
對照例的石墨烯為依照製備例1所示的方法製得的，除了未啟動超音波震盪機而提供超音波來震盪水溶液外。
本對照例得到之石墨烯的重量約為0.000054g。經比較後，製備例1的石墨烯重量約為對照例之石墨烯重量的15.4倍。
綜上，製備例相當於實施方式提出之方法的實例，而對照例相當於習知之電化學法的實例。由此可證實，實施方式之方法得到的石墨烯產量大於習知之電化學法得到的石墨烯產量。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，但不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效改變與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
S1至S5‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種製備石墨烯的電化學法，係包括：將一石墨工作電極與一輔助電極置於一電解液中，該電解液含有八烷基硫酸鈉(sodium octyl sulfate，SOS)、十烷基硫酸鈉(sodium decyl sulfate)、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate，SDS)、或十四烷基硫酸鈉(sodium myristyl sulfate)；於對該電解液震盪下，提供一正偏壓予該石墨工作電極；以及於對該電解液震盪下，提供一負偏壓予該石墨工作電極。
  2. 如請求項第1項所述之電化學法，其中該石墨工作電極及輔助電極的置放步驟更包含：將一參考電極置於該電解液中。
  3. 如請求項第1項所述之電化學法，其中該輔助電極為鉑電極、石墨電極、或不銹鋼電極。
  4. 如請求項第2項所述之電化學法，其中該參考電極為銀/氯化銀電極、飽和甘汞電極、或標準氫電極。
  5. 如請求項第1項所述之電化學法，其中該石墨工作電極與該輔助電極的距離為0.4至1cm。
  6. 如請求項第1項所述之電化學法，其中該正偏壓提供步驟及該負偏壓提供步驟係採用超音波對該電解液震盪。
  7. 如請求項第6項所述之電化學法，其中該超音波的功率為192至640W，頻率為37至60kHz。
  8. 如請求項第1項所述之電化學法，其中該正偏壓為+0.5至+30V，該負偏壓為-0.0001至-5V。
  9. 如請求項第1項所述之電化學法，其中該正偏壓提供步驟的時間為6小時，該負偏壓提供步驟的時間為2小時。
  10. 如請求項第1項所述之電化學法，更包括：對該電解液離心，以取得一上層液；以及對該上層液離心，以取得一下層物。
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