TWI564244B - Equipment for making graphene and its making method - Google Patents

Description

石墨烯的製作設備及製作方法

本發明是有關於一種石墨烯的製作設備及製作方法，特別是指一種具有高產率之石墨烯的製作設備及製作方法。

石墨烯(graphene)為僅有單層或數層碳原子層厚度的石墨材料，具有良好的導電性、導熱性及透光性，並於x-y平面具有良好的機械強度，是目前最受矚目的奈米級材料之一。

現有石墨烯的製作方式可概分為固相法(solid phase method)及液相法(liquid phase method)兩種。在液相法中，較常見的有化學剝離法(chemical exfoliation)、氧化石墨化學剝離法(graphite oxide chemical exfoliation)及電化學剝離法(electrochemical exfoliation)。其中，電化學剝離法是將石墨原料置放於具有正負離子的電解液中，藉由外加電場驅使電解液的離子穿透至石墨材原料的片狀結構之中形成插層(intercalation)，以提供後續進行剝離。然而，目前的電化學剝離法，其產率僅有5至8%，具有相當大 的改善空間。

因此，本發明之其中一目的，即在提供一種可製作出高品質、高產量之石墨烯的製作設備。

於是，本發明石墨烯的製作設備，用於將石墨原料製作為石墨烯，包含一槽體、一多孔性容器、一攪動裝置、一電極結構及一供電裝置。槽體供容裝一電解液。多孔性容器設置於槽體，供石墨原料容裝其中，並於其器壁形成多個供電解液內外流通的通孔。攪動裝置包括一主體及一受控於主體的攪動機構，攪動機構具導電性，並浸入多孔性容器中的電解液，使電解液產生擾動。電極結構具導電性，其與攪動機構相互間隔，並浸入電解液中。供電裝置提供電力於攪動機構與電極結構，使攪動機構與電極結構之間形成電位差。

在一些實施態樣中，該電解液的成分包含界面活性劑。

在一些實施態樣中，該攪動裝置的該主體為一離心均質機，可控制該攪動機構進行轉動；該攪動機構具有一軸桿及多個設置於該軸桿的葉片。

本發明之其中另一目的，即在提供一種石墨烯的製作方法。

於是，本發明石墨烯的製作方法，包含以下步驟：步驟(A)提供一如前述的製作設備；步驟(B)令該供電裝置控制該攪動機構與該電極結構之間形成一第一電位差， 並令該攪動裝置的該主體控制該攪動機構在一第一轉速下轉動；及步驟(C)令該攪動裝置的該主體控制該攪動機構在一第二轉速下轉動。

在一些實施態樣中，於步驟(B)該攪動機構處於高電位，該電極結構處於低電位。

在一些實施態樣中，於步驟(B)該攪動機構處於低電位，該電極結構處於高電位。

在一些實施態樣中，於步驟(C)還令該供電裝置控制該攪動機構與該電極結構之間形成一第二電位差。

在一些實施態樣中，於步驟(C)該攪動機構處於高電位，該電極結構處於低電位。

在一些實施態樣中，於步驟(C)該攪動機構處於低電位，該電極結構處於高電位。

在一些實施態樣中，該第二轉速大於該第一轉速。

本發明的再一目的，在提供另一種石墨烯的製作方法，該製作方法包含以下步驟：步驟(A)提供如前述的製作設備；步驟(B)令該供電裝置控制該攪動機構與該電極結構之間形成一電位差；步驟(C)令該攪動裝置的該主體控制該攪動機構運作。

本發明之功效在於：透過可通電及可對電解液進行攪動之攪動機構的設置，並配合收容石墨原料的多孔性容器之使用，本發明的製作設備及製作方法以電化學反應及機械剝離兩種機制進行石墨烯的製作，能有效製作出 高品質及高產量的石墨烯。

100‧‧‧石墨烯的製作設備

101‧‧‧石墨原料

102‧‧‧石墨烯

1‧‧‧槽體

11‧‧‧電解液

2‧‧‧多孔性容器

21‧‧‧通孔

3‧‧‧擾動裝置

31‧‧‧主體

32‧‧‧擾動機構

321‧‧‧軸桿

322‧‧‧葉片

4‧‧‧電極結構

5‧‧‧供電裝置

S01~S03‧‧‧流程步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明石墨烯的製作設備的一實施例；圖2是一流程圖，說明本發明石墨烯的製作方法的執行步驟。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

第一實施例

參閱圖1，為本發明石墨烯的製作設備100的實施例，該石墨烯的製作設備100是結合電化學剝離(electrochemical exfoliation)機制與機械剝離(mechanical exfoliation)機制，將石墨粉末、石墨塊、氧化石墨(graphite oxide)、氧化石墨烯(graphene oxide)等石墨原料101(圖中以矩形方塊表示)加工為石墨烯102(圖中以粗黑線段表示)。

本實施例中，石墨烯的製作設備100包含一槽體1、一多孔性容器2、一攪動裝置3、一電極結構4及一供電裝置5。

槽體1藉由耐酸鹼、抗有機的材質製作，以供 電解液11容裝其中。在本實施例，電解液11具體為硫酸、硫酸銅等含硫成分的溶液，酸鹼值控制為介於2.0至5.0之間，溫度控制為介於10℃至30℃之間，並可藉由各式界面活性劑(surfactant)的添加增進電解液11的濕潤性(wettability)，以利於石墨烯102的製作過程進行。然而，在不同的實施態樣中，上述關於電解液11的成分、酸鹼值、溫度等製作條件，均可視實際需要而調整，不以此處揭露的內容為限。

多孔性容器2設置於槽體1，可供石墨原料101及已加工製得之石墨烯102容裝其中，並於其器壁形成多個供電解液11內外流通的通孔21，是石墨原料101歷經電化學剝離處理及機械剝離處理的反應所在處。本實施例中，多孔性容器2之通孔21的孔徑尺寸不大於5微米，如此的尺寸可確保電解液11在持續流動狀態下，石墨原料101與石墨烯102仍被侷限在多孔性容器2中，使得石墨原料101的加工過程能夠反覆持續進行，如此的設計不僅能提升製作效率，也能有效提升石墨烯102的最終產率。

攪動裝置3包括一主體31及一受控於主體31的攪動機構32，該攪動機構32具導電性並浸入多孔性容器2中的電解液11，能作為電化學反應過程中的其中一電極。此外，攪動機構32還可在主體31的控制之下，讓電解液11產生擾動，由電解液11擾動時產生的作用力促使石墨原料101剝離為石墨烯102。舉例而言，本實施例中攪動裝置3的主體31可採用一離心均質機(clarifixator)，藉以 控制攪動機構32進行轉動。攪動機構32則具有一軸桿321及多個設置於該軸桿321之末端的葉片322，可在其轉動下讓被攪動的電解液11產生剪切力，以作為對石墨原料101進行機械剝離的驅動力。然而，要說明的是，本實施例關於攪動裝置3的具體實施方式當可視需要而對應調整，不以此處揭露的內容為限。

電極結構4以鉑等具導電性的材質製作，其與攪動機構32相互間隔，並浸入電解液11中，在與供電裝置5形成電連接後，可與攪動機構32配合，由兩者之間的電位差，提供作為電化學反應的兩個電極使用。

參閱圖1、圖2，以下說明本發明藉由上述製作設備100進行石墨烯102之生產製作的執行步驟。本實施例的製作方法中，攪動機構32是處於低電位，電極結構4則處於高電位。也就是說，在電化學反應中，攪動機構32處是產生還原反應，電極結構4處是產生氧化反應。然而，在後續的第二實施例中，會以攪動機構32處於高電位，且電極結構4處於低電位的狀態說明石墨烯102的製造方法。

步驟S01：本步驟需先提供一如前述說明的製作設備100，但在此步驟中攪動裝置3、供電裝置5還未開始運作，也就是說電解液11處於未通電、未被攪動的狀態，因此容裝在多孔性容器2中的石墨原料101還未產生反應。

步驟S02：本步驟令攪動裝置3、供電裝置5開 始運作，因此攪動裝置3會控制攪動機構32以不大於3000RPM(round per minute，每分鐘轉速)的第一轉速進行轉動，且供電裝置5會讓攪動機構32與電極結構4之間形成不大於10伏特之電位差。

如前述說明，本實施例中攪動機構32是電化學反應的陰極，因此電解液11中的氫離子(H⁺)會向攪動機構32移動，並穿透至石墨原料101中進行插層(intercalation)，使得石墨原料101在此電化學反應下形成膨脹的石墨原料101，而能夠在後續製程中被剝離為石墨烯102。具體來說，本步驟的執行時間係不大於5小時，但也可視需要而調整為更長的時間，而不以特定反應時間為限。

步驟S03：本步驟會將攪動機構32調整為在一不大於20000RPM的第二轉速下進行旋轉，且該第二轉速較佳為大於第一轉速，因此在此狀態下多孔性容器2中的電解液11會產生激烈的擾動，由電解液11擾動產生的剪切力會促使石墨原料101剝離為石墨烯102。所以，本步驟可視為藉由機械原理進行剝離製程的主要步驟，且較佳的執行時間不大於5小時。當然，在本步驟中，也可以讓攪動機構32與電極結構4之間形成不大於10伏特之電位差，而維持石墨原料101的插層進行。而且，該電位差會讓攪動機構32處的電解液產生電解氣體，該電解氣體亦可提供插層的效果。

因此，綜合上述內容可知，本實施例的製造方法，是將石墨原料101收集在多孔性容器2中，並密集地 進行電化學剝離處理及機械剝離處理，可有效將石墨烯102的產量提升至20%以上。而且，藉由此方法製得之石墨烯102，其平均厚度為2.2奈米，大小介於1平方微米至1.5平方微米之間，電阻率約為1.4Ω-cm，具有良好的材料特性。

另一方面，若本實施例中以氧化石墨烯作為石墨原料101，則可讓氧化石墨烯在電化學的陰極還原反應中還原為石墨材料，並透過上述的電化學及機械攪拌處理，而進行石墨烯102的製作。

第二實施例

參閱圖1、圖2，以下說明本發明之製作方法的第二實施例。如前述說明，本實施例是讓攪動機構32處於高電位並讓電極結構4處於低電位。因此，在本實施例的步驟S02中，攪動機構32是電化學反應的陽極，電解液11中的陰離子(如硫酸根離子)會往攪動機構32移動，以對多孔性容器2中的石墨原料101進行插層處理。而在步驟S03中，則同樣是藉由提高攪動機構32的轉速來達成機械剝離的效果。因此，本實施例中攪動機構32、電極結構4的電性雖然相反於第一實施例，同樣能進行石墨烯102的製作。

綜合前述兩個實施例，本發明石墨烯的製作設備100及製作方法，藉由可通電及可對電解液11進行攪動之攪動機構32的設置，並配合收容石墨原料101的多孔性容器2的使用，以電化學反應及機械攪拌兩種機制進行石 墨烯102的製作，能有效製作出高品質及高產量的石墨烯102，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧石墨烯的製作設備

101‧‧‧石墨原料

102‧‧‧石墨烯

1‧‧‧槽體

11‧‧‧電解液

2‧‧‧多孔性容器

21‧‧‧通孔

3‧‧‧擾動裝置

31‧‧‧主體

32‧‧‧擾動機構

321‧‧‧軸桿

322‧‧‧葉片

4‧‧‧電極結構

5‧‧‧供電裝置

Claims (12)

1. 一種石墨烯的製作設備，用於將一石墨原料製作為石墨烯，包含：一槽體，供容裝一電解液；一多孔性容器，設置於該槽體，供該石墨原料容裝其中，並於其器壁形成多個供該電解液內外流通的通孔；一攪動裝置，包括一主體及一受控於該主體的攪動機構，該攪動機構具導電性，並具有一軸桿及多個設置於該軸桿的葉片，該攪動機構浸入該多孔性容器中的該電解液，使該電解液產生擾動；一電極結構，具導電性，與該攪動機構相互間隔，並浸入該電解液中；及一供電裝置，提供電力於該攪動機構與該電極結構，使該攪動機構與該電極結構之間形成電位差。
2. 如請求項1所述之石墨烯的製作設備，其中，該電解液的成分包含界面活性劑。
3. 如請求項1所述之石墨烯的製作設備，其中，該多孔性容器之該等通孔的孔徑不大於5微米。
4. 如請求項1所述之石墨烯的製作設備，其中，該攪動裝置的該主體為一離心均質機，可控制該攪動機構進行轉動。
5. 一種石墨烯的製作方法，包含以下步驟：步驟(A)提供一如請求項1至4中任一項所述的製 作設備；步驟(B)令該供電裝置控制該攪動機構與該電極結構之間形成一第一電位差，並令該攪動裝置的該主體控制該攪動機構在一第一轉速下轉動；及步驟(C)令該攪動裝置的該主體控制該攪動機構在一第二轉速下轉動。
6. 如請求項5所述之石墨烯的製作方法，其中，於步驟(B)該攪動機構處於高電位，該電極結構處於低電位。
7. 如請求項5所述之石墨烯的製作方法，其中，於步驟(B)該攪動機構處於低電位，該電極結構處於高電位。
8. 如請求項5所述之石墨烯的製作方法，其中，於步驟(C)還令該供電裝置控制該攪動機構與該電極結構之間形成一第二電位差。
9. 如請求項8所述之石墨烯的製作方法，其中，於步驟(C)該攪動機構處於高電位，該電極結構處於低電位。
10. 如請求項8所述之石墨烯的製作方法，其中，於步驟(C)該攪動機構處於低電位，該電極結構處於高電位。
11. 如請求項5所述之石墨烯的製作方法，其中，該第二轉速大於該第一轉速。
12. 一種石墨烯的製作方法，包含以下步驟：步驟(A)提供一如請求項1至4中任一項所述的製作設備；步驟(B)令該供電裝置控制該攪動機構與該電極結構之間形成一電位差；及 步驟(C)令該攪動裝置的該主體控制該攪動機構運作。