TWI585241B - 石墨烯生成裝置 - Google Patents

Description

石墨烯生成裝置

本發明為一種生成裝置，特別是一種石墨烯的生成裝置。

石墨烯(graphene)是一種單層原子厚的碳材料，每個碳原子之間以sp²混成與相鄰的三個原子形成鍵結，並延伸成蜂窩狀的二維結構。且石墨烯的更以良好的載子遷移率(carrier mobility)著稱，因其具有優異的電學性能、化學穩定性、良好的導熱及高穿透率等性質，故石墨烯目前已被廣泛應用於半導體、觸控面板或太陽能電池等領域中的熱門材料。

一般石墨烯的生成方式有機械剝離法(mechanical exfoliation)、磊晶成長法(epitaxial growth)、化學氣相沈積法(chemical vapor deposition，CVD)及化學剝離法(chemical exfoliation)等方法。其中，機械剝離法及磊晶成長法，雖然可以生成品質較佳之石墨烯，但這兩種方法均無法大量合成石墨烯。

且，若採用化學氣相沈積法，其操作溫度為近千度的高溫及昂貴的金屬基板，且製備過程須耗費數小時才能完成。上述這些方法的不足之處，都限制了石墨烯之生產及後續的應用。而化學剝離法則是在強酸、強氧化的條件下，透過將石墨氧化還原的方法生成石墨烯。此作法雖適合大量生產，但其生成的石墨烯的表面結構及大小較不理想。

除了上述的生成方法以外，亦可透過電化學剝離法生成石墨烯。其主要的作用原理為透過電解質與石墨表面的相互作用，使得陽極的石墨材料表層被氧化並剝離。雖習知電化學剝離的方式，無法控制石墨原材料從電極上剝離的程度(可能無法完全剝離)，以及無法有效率的應用電解槽的空間。但相較上述其他的生成方法，電化學剝離法能夠快速且經濟地在室溫環境下製造石墨烯，換言之，若能改善化學剝離法生成效率、石 墨烯產量，將能使電化學剝離法成為經濟且大規模製作的石墨烯生成方法。

因此，如何提供一種能於常溫下生產，成本低廉、提升效率及提高整體生產高品質的石墨烯生成裝置，已成為本領域亟需解決的重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可提升石墨烯產量、生成效率以及可量產的石墨烯生成裝置。

為達上述目的，依據本發明可提供一種石墨烯生成裝置，包括電解槽、夾具、至少一第一電極、至少一第二電極、石墨材料以及多孔填充材。

電解槽得以填充電解液，至少一第二電極與第一電極相對設置。且夾具夾置第一電極與第二電極。石墨材料可設置於第二電極。多孔填充材可設置於第一電極以及第二電極之間。

在一實施例中，更包括電源供應器，分別與第一電極與第二電極電性連接，並使第一電極與第二電極產生一電勢差。

在一實施例中，第一電極與第二電極具有電勢差，且電勢差介於5伏特至100伏特之間。

在一實施例中，電勢差更可介於10伏特至50伏特之間。

在一實施例中，更包括濾網，設置於多孔填充材與石墨材料之間。

在一實施例中，多孔填充材的孔徑大小介於5μm至1mm之間。

在一實施例中，其中多孔填充材為多孔陶瓷板、海綿、發泡塑膠、塑膠網、沸石、石英綿或其組合。

在一實施例中，第一電極及第二電極為石墨材料或金屬所製成。

在一實施例中，更包括一進液單元以及一排氣單元。

承上所述，本發明可透過於第一電極與第二電極之間夾置多 孔填充材，且透過多孔填充材使得電解液得以均勻地與電極上的石墨材料反應。因此，本發明得可實現提供一種能於常溫下生產，成本低廉、提升效率及提高整體生產高品質的石墨烯生成裝置的目的。

1、1a‧‧‧石墨烯生成裝置

10、10a‧‧‧電解槽

11、11a‧‧‧第一電極

12、12a‧‧‧第二電極

13、13a‧‧‧石墨材料

14、14a‧‧‧多孔填充材

15‧‧‧電源供應器

16、16a‧‧‧進液單元

17a‧‧‧濾網

18、18a‧‧‧夾具

S‧‧‧電解液

圖1為一種本發明的石墨烯生成裝置的第一實施例的立體示意圖。

圖2為圖1的實施例的側面示意圖。

圖3為透過本發明的石墨烯生成裝置與習知電化學剝離製程的又一數量比例-產量長條圖。

圖4為透過本發明的石墨烯生成裝置與習知電化學剝離製程的厚度分布-數量比例長條圖。

圖5為一種本發明的石墨烯生成裝置的第二實施例的側面示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種石墨烯生成裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請先參考圖1至圖4，圖1為一種本發明的石墨烯生成裝置的第一實施例的立體示意圖。圖2為圖1的實施例的側面示意圖。圖3為透過本發明的石墨烯生成裝置與習知電化學剝離製程的產率-長條圖。圖4為透過本發明的石墨烯生成裝置與習知電化學剝離製程的厚度分布-比例長條圖。

本發明的第一實施例的石墨烯生成裝置1，包括電解槽10、至少一第一電極11、至少一第二電極12、石墨材料13、多孔填充材14以及夾具18。

本實施例的電解槽10具有一容置槽體，得以填充電解液S。本實施例的電解液S可為石墨烯溶液。

請特別參考圖1以及圖2，至少一第二電極12與第一電極11會相對設置，且第一電極11與第二電極12可形成一電極模組。此外，且本實施例的第一電極11為一惰性電極，為石墨材料或金屬所製成。本實 施例的第二電極12亦可為石墨材料或金屬所製成，此處的石墨材料或是金屬材料例如可為天然石墨、人造石墨、銅、不銹鋼、白金等材料所製成，但不以此些材料為限制。

此外，本實施例的石墨材料13可設置於第二電極12。且此處的石墨材料13的設置方式可為部份或是全數覆蓋第二電極12的方式為之。此處的石墨材料13可選用天然石墨、人造石墨等任何具石墨化排列之碳材料皆可。

多孔填充材14可設置於第一電極11以及第二電極12之間。詳而言之，多孔填充材14更可設置於石墨材料13以及第二電極12之間，故，透過此配置，本實施例設置的多孔填充材14可避免第二電極12與石墨材料13接觸造成短路的問題。且亦可透過不同的多孔填充材14調整第一電極11以及第二電極12的距離(間隔距離即為多孔填充材14的厚度)進而調整整體的反應速度。簡言之，透過本實施例此種配置，可更有效的堆疊複數個電極模組於電解槽10，並可有效的提高整體的產量。

此外，更利用其上的孔洞使電解液S均勻的被引導至第一電極11以及第二電極12的表面，並產生電化學反應。最後再透過其上的孔洞將電化學反應中產生的氣體排出。補充說明的是，透過多孔填充材14的孔洞，石墨材料13的表面得以均勻的與電解液S產生反應，並可控制其反應的深度約為1mm~30mm之間，較佳地可限制1mm~10mm之間，故剝落的石墨烯產物厚度得以被控制。

且，本實施例的多孔填充材14可選用多孔陶瓷板、海綿、發泡塑膠、塑膠網、沸石、石英綿或其組合，但不以此些材料為限制。且本實施例可選用、搭配的多孔填充材14的孔徑大小可介於5μm至1mm之間。

夾具18得以夾置第一電極11與第二電極12，換言之，本實施例的第一電極11與第二電極12是以固定、設置於夾具18之間。故透過夾具18的設置，本實施例的石墨材料13可被固定、侷限於多孔填充材14與第二電極12之間，因而使得石墨材料13得以完全反應，且可達到80%的剝離程度。

此外，本實施例的石墨烯生成裝置1更可包括電源供應器15，分別與第一電極11與第二電極12電性連接，並使第一電極11與第二電極12產生一電勢差。且電源供應器15可提供直流電或交流電。

另外，本實施例的石墨烯生成裝置1更可包括進液單元16以及排氣單元(圖未示出)。進液單元16用以補充電解液S，而排氣單元則用以將反應中產生之氣體的排出。

實際操作時，依序將第一電極11、第二電極12及多孔填充材14安裝於電解槽10中。接著，電解液S透過多孔填充材14的孔洞引導使電解液S與第二電極12上的石墨材料13接觸。

第一電極11與第二電極12具有電勢差，在反應過程中，電勢差將會使得電解液S電解並產生氫氣與氧氣，此些氣體可透過多孔介質上溢散。且本實施例的電勢差可介於5伏特至100伏特之間。較佳地，電勢差更可介於10伏特至50伏特之間。

產生氣體的同時，將會造成第一電極11表面的石墨單層或是多層膨脹，並剝離成為石墨烯薄片或石墨烯粉末。而剝離的石墨烯將留在電解槽10中。最後再將剝離的石墨烯真空乾燥得到產物。

以下將例示本實施例可能搭配的方式。

舉例而言，本實施例的石墨材料可為石墨粉，搭配氧化鋁的多孔填充材14。氧化鋁的平均孔徑可為5μm，且本實施例的多孔填充材14的厚度為5mm，換言之，本實施例的第一電極11與第二電極12的間距即為5mm。電解液為溶於300ml的0.25M硫酸(操作溫度可介於室溫至40℃)。施加電勢差為10V，電流約為2A，在反應時間為8小時下，約可生成50mg的石墨烯粉末。

補充說明的是，本實施例的多孔填充材14的孔徑將會依據電解液S補充的速度、氣體逸散的速度作為選用的依據。此外亦可通過調整電解液S的濃度、電解質的種類、溶劑類型以及電勢差來改變石墨烯的剝離速度、性質以及產量。

且，本實施例的石墨烯生成裝置1於其他的實施態樣中，亦可包括過濾與分離產物模組。為了實現連續化製程的目的，本實施例的石 墨烯生成裝置1所剝離的產物可透過過濾與分離產物之模組的微孔隙之篩網過濾未剝離之粗粒徑石墨顆粒，以及透過篩選得到適當尺寸之產物後(一般為10nm以下的薄層石墨烯)，再以大量去離子水來去除殘留之電解液，或以其他可以溶解、取代殘餘離子之離子溶液。

請接著參考圖3以及圖4，圖3為透過本發明的石墨烯生成裝置與習知電化學剝離製程的產率-長條圖。圖4為透過本發明的石墨烯生成裝置與習知電化學剝離製程的厚度分布-比例長條圖。圖4為圖3中500目數以下的石墨烯的厚度分佈示意圖。

且圖面中繪製的圖表僅為本發明的其一實施例示意，其多孔填充材為多孔陶瓷板，並可搭配0.25M的硫酸作為其電解液。但可能會依據不同的多孔填充材以及電解液使得數據有所微調，但其各實施例間的整體的效果相似。

因，習知電化學剝離的主要的產量的峰值大多落在500目數以上(mesh)，且生成的厚度的峰值為10~20nm。本發明的石墨烯生成裝置，石墨烯的主要產量的峰值將會落在500目數(mesh)以下，且生成的厚度多數落在5~10nm的區間。而5~10nm的石墨烯產物實為實際上應用且被篩選出作用後續加工的區間。換言之，透過本發明的石墨烯生成裝置可將產物中可用的石墨烯的產量大幅提升，以達到提升效率及提高整體生產高品質的目的。

且，本發明的石墨烯生成裝置與習知電化學剝離製程相比，至少具有以下優點，本發明所採用的電壓較低、操作溫度為常溫、產物的厚度將會集中於業界所需的標準、裝置結構簡單、操作容易，因此本發明將能應用於並符合大量生產的需求。

最後，請參考圖5，其為一種本發明的石墨烯生成裝置的第二實施例的側面示意圖。

相似地，本實施例的石墨烯生成裝置1a，包括電解槽10a、至少一第一電極11a、至少一第二電極12a、石墨材料13a、多孔填充材14a以及夾具18a。且本實施例亦包括一進液單元16a。

與前述實施例相異處有二，一者本實施例的石墨烯生成裝置 1a的具有兩組電極，且各組電極包括第一電極11a以及第二電極12a。換言之，本發明的第一電極11a及第二電極12a並不侷限於一組，也可以模組化以並聯的方式合併多組。

此外，本實施例的石墨烯生成裝置更包括濾網17a，設置於多孔填充材14a與石墨材料13a之間。於第一電極11a上設置濾網17a的目的在於可避免第一電極11a未反應完全的石墨進入多孔填充材14a，使得多孔填充材14a的孔洞將不會被堵塞。且可透過濾網17a加強電解液的擴散程度。

此外，本實施例的濾網17a更可設置於第二電極12a與多孔填充材14a之間，此處設置濾網17a的目的在於避免第二電極12a上的石墨材料13a進入多孔填充材14a。簡言之，可透過在多孔填充材14a的表面配置濾網17a，以提高本裝置的整體效率。

舉例而言，本實施例的石墨材料13a可石墨粉，多孔填充材14a則為海綿，其平均孔徑約為1mm，其厚度為10mm(本實施例的第一電極11a與第二電極12a的間距即為10mm)。濾網17a可為尼龍網(其網目大小約為300um)，透過對第一電極11a以及第二電極12a施加電壓20V，電流約為10A，總反應時間為8小時，電解液為溶於300ml的0.25M硫酸溶液搭配30ml的氫氧化鉀(30wt%)，且操作溫度可介於室溫至40℃。在此種配置下，石墨烯的產量約為500mg。

綜上所述，透過於第一電極與第二電極之間夾置多孔填充材、透過夾具將石墨材料固定於第二電極與多孔填充材之間，再搭配多孔填充材使得電解液得以均勻地與電極上的石墨材料反應。因此，本發明得可實現提供一種能於常溫下生產，成本低廉、提升效率、提高整體生產高品質、減少電極短路的石墨烯生成裝置的目的。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧石墨烯生成裝置

10‧‧‧電解槽

11‧‧‧第一電極

12‧‧‧第二電極

13‧‧‧石墨材料

14‧‧‧多孔填充材

16‧‧‧進液單元

18‧‧‧夾具

S‧‧‧電解液

Claims (8)

1. 一種石墨烯生成裝置，包括：一電解槽；一進液單元，填充一電解液至該電解槽；一夾具；至少一第一電極；至少一第二電極，與該第一電極相對設置，且該夾具夾置該第一電極與該第二電極；一石墨材料，設置於該第二電極；一多孔填充材，設置於該第一電極以及該第二電極之間；以及一排氣單元，將反應中產生的氣體排出。
2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包括一電源供應器，分別與該第一電極與該第二電極電性連接，並使該第一電極與該第二電極產生一電勢差。
3. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，其中該第一電極與該第二電極具有一電勢差，且該電勢差介於5伏特至100伏特之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中該電勢差介於10伏特至50伏特之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包括一濾網，設置於該多孔填充材與該石墨材料之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔填充材的孔徑大小介於5μm至1mm之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該多孔填充材為多孔陶瓷板、海綿、發泡塑膠、塑膠網、沸石、石英綿或其組合。
8. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中該第一電極及該第二電極為石墨材料或金屬所製成。