TWI603913B - 石墨烯片的形成裝置與形成方法 - Google Patents

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Description

石墨烯片的形成裝置與形成方法
本發明係關於石墨烯片，更特別關於其形成方法與對應裝置。
石墨烯片具有良好之散熱、導電及機械強度等優異性質；因此，石墨烯片可用來散熱膠、導熱膠極強化複合材料等用途。傳統化學法將石墨塊拆解成少數層石墨烯片(few-layer graphene)，需使用高溫及消耗大量化學藥品，且產率不高。電解法可製得少數層石墨烯片，但電解耗時甚久，且電解過程會對同時破壞石墨烯片，無法大量迅速製得石墨烯片。
微波電漿火焰法可用以製得石墨烯片，見Nano Letters V8,2012-2016 2008“Substrate-Free Gas-Phase Synthesis of Graphene Sheets”。此論文將微波電漿火焰通入乙醇製作石墨烯片，但此方法的碳源為乙醇，有流量控制不易及電漿流場不穩定等缺點，而無法擴大至量產規模。
綜上所述，目前亟需新的方法及對應裝置，以大量形成石墨烯片。
本發明一實施例提供一種石墨烯片的形成裝置，包括：氣導管；碳氫氣體源，連接至氣導管前段以提供碳氫氣體通過氣導管；微波源，提供微波經導波管通過氣導管中段，使碳氫氣體形成微波電漿火燄，其中微波電漿火燄使碳氫氣體裂解形成石墨烯片；以及收集管，連接至氣導 管後段以收集該石墨烯片。
本發明一實施例提供一種石墨烯片的形成方法，包括：提供碳氫氣體至氣導管中；提供微波經導波管通過該氣導管，使碳氫氣體形成微波電漿火燄，其中微波電漿火燄使碳氫氣體裂解形成石墨烯片；以及以連接至氣導管後段之收集管，收集石墨烯片。
第1圖係本發明一實施例中，石墨烯片之形成裝置的示意圖。此裝置的主體為氣導管11，其前段連接至碳氫氣體源13，其中段經導波管16連接至微波源15，且其後段連接至收集管19。在本發明一實施例中，氣導管11為不吸收微波之耐高溫材料，如二氧化矽(石英)、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯等材料。碳氫氣體源13可提供碳氫氣體如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、其他氣體、或上述之組合至氣導管11中。舉例來說，碳氫氣體源13可為氣體鋼瓶。在本發明一實施例中，碳氫氣體可為乙烯。由於乙烯本身為平面結構，更有利於形成平面結構的石墨烯片。碳氫氣體之流速介於0.1m/s至1 m/s之間。若碳氫氣體之流速過高，則產率太低。若碳氫氣體之流速過低，則產能太低。由於本發明以碳氫氣體作為碳源，可精準控制氣體流量。與液態碳源如醇類、高碳數烷類如戊烷或己烷、或苯類相較，上述碳氫氣體可省卻霧化步驟，即減少裝置複雜性。碳氫氣體源13可混合其他不與碳氫氣體反應的惰性氣體如氬氣、氦氣、或上述之組合以調整碳氫氣體濃度，以輔助解離碳氫氣體。值得注意的是，本發明並不將任何 與碳氫氣體反應的其他物質(如金屬)混入碳氫氣體中，以避免降低石墨烯片的純度及/或產率。
微波源15產生的微波，經導波管16穿過氣導管11中段，使氣導管11中的碳氫氣體形成電漿。在本發明一實施例中，微波源15之功率介於100W至5kW之間。若微波源15之功率過高，則易生缺陷石墨烯於石墨烯片中。若微波源之功率過低，則無法合成石墨烯片。如第1圖所示，可視情況採用微波集中裝置如導波塊14，使較低功率之微波得以集中成較高功率之微波。將鎢絲(未圖示)伸入氣導管11中即可點燃微波電漿，使其形成微波電漿火燄20。微波電漿火燄20將裂解碳氫氣體使其形成石墨烯片。
上述石墨烯片將收集於收集管19的管壁上。在本發明一實施例中，收集管19可為鎳、銅、鐵、或上述之合金。在本發明其他實施例中，收集管19之主體亦可為其他非金屬材質如石英、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯。收集管19之上視形狀可為圓形、方形、矩形、菱形、或其他可行形狀，端視需要而定。收集管19可幫助催化生成石墨烯片。另一方面，電漿之游離電子使石墨烯片帶有靜電，而收集管19之靜電有利於收集帶靜電之石墨烯片。換言之，收集管19兼具催化與靜電集塵之功效。
在本發明另一實施例中，進一步將收集棒21置於收集管19中，如第2圖所示。收集棒21之材料可為鎳、銅、鐵、或上述之合金、或耐高溫之石英、玻璃、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯。另一方面，收集棒21可為實心棒、兩端封閉的中空棒、一端封閉且一端封閉的中空棒、或兩端開 放的中空棒(管狀物)，端視需要而定。可以理解的是，雖然圖式中的收集棒只有1根，但本技術領域中具有通常知識者自可採用2根、3根、或更多根的收集棒21。收集棒21之上視形狀可為圓形、方形、矩形、菱形、或其他可行形狀，端視需要而定。三根以上的收集棒21其排列方式可依方便操作而定，只要不影響碳氫氣體的氣流順暢即可。與收集管19類似，收集棒21可幫助催化生成石墨烯片。換言之，石墨烯片除了生成於收集管19之內壁上，亦生成於收集棒21的表面上。本發明並不在收集管19的末端放置任何過濾裝置，以避免因碳氫氣體流動不順影響微波電漿火燄20的穩定性。
本發明之特點為採用碳氫氣體作為碳源，並以收集管收集石墨烯片。經上述裝置及適當之操作參數，可得大量(產率30%)的單層石墨烯片。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
【實施例】 實施例1
如第1圖所示，將鋼鎳(不銹鋼)管作為收集管(直徑2.4cm，長30cm)，接續作為氣導管的石英管(直徑2.4cm，長15cm)，再將氬氣(10 slm)及甲烷(5 sccm)通入石英管中。將微波發射機(東京電機)之微波源設定於500W，以形成穩定的微波電漿火燄。經60分鐘後關閉微波源，即可自鋼鎳管內壁收集64 mg之石墨烯片(產率=30%)。經Raman光譜 測試，上述石墨烯片具有明顯的特性波峰(~2650cm-1)，與石墨的特性波峰(~1570cm-1)之強度比(graphene/graphite)約為0.6。
實施例2
如第1圖所示，將銅管作為收集管(直徑2.4cm，長30cm)接續作為氣導管的石英管(直徑2.4cm，長15cm)，再將氬氣(10 slm)及甲烷(5 sccm)通入石英管中。將微波發射機(東京電機)之微波源設定於500W，以形成穩定的微波電漿火燄。經60分鐘後關閉微波源，即可自銅管內壁收集86 mg之石墨烯片(產率=40%)。經Raman光譜測試，上述石墨烯片具有明顯的特性波峰(~2650cm-1)，與石墨的特性波峰(~1570cm-1)之強度比(graphene/graphite)約為0.8。
實施例3
如第1圖所示，將康銅管作為收集管(直徑2.4cm；長30cm)接續作為氣導管的石英管(直徑2.4cm，長15cm)，再將氬氣(10 slm)及甲烷(5 sccm)通入石英管中。將微波發射機(東京電機)之微波源設定於500W，以形成穩定的微波電漿火燄。經60分鐘後關閉微波源，即可自康銅管內壁收集107 mg之石墨烯片(產率=50%)。經Raman光譜測試，上述石墨烯片具有明顯的特性波峰(~2650cm-1)，與石墨的特性波峰(~1570cm-1)之強度比(graphene/graphite)約為1。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
11‧‧‧氣導管
13‧‧‧碳氫氣體源
14‧‧‧導波塊
15‧‧‧微波源
16‧‧‧導波管
19‧‧‧收集管
20‧‧‧微波電漿火燄
21‧‧‧收集棒
第1圖係本發明一實施例中，石墨烯片之形成裝置的示意圖；以及第2圖係本發明另一實施例中，石墨烯片之形成裝置的示意圖。
11‧‧‧氣導管
13‧‧‧碳氫氣體源
14‧‧‧導波塊
15‧‧‧微波源
16‧‧‧導波管
19‧‧‧收集管
20‧‧‧微波電漿火燄

Claims (14)

  1. 一種石墨烯片的形成裝置，包括：一氣導管；一碳氫氣體源，連接至該氣導管前段以提供一碳氫氣體通過該氣導管，其中該碳氫氣體不與任何與碳氫氣體反應的其他物質混合；一微波源，提供一微波經一導波管通過該氣導管中段，使該碳氫氣體形成一微波電漿火燄，其中該微波電漿火燄使該碳氫氣體裂解形成一石墨烯片；一收集管，連接至該氣導管後段以收集該石墨烯片；以及兩個導波塊，經由該導波管連接至該微波源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯片的形成裝置，其中該氣導管材料包括石英、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯片的形成裝置，其中該碳氫氣體源提供之碳氫氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、或上述之組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯片的形成裝置，其中該收集管包括鎳、銅、鐵、上述之合金、石英、玻璃、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯片的形成裝置，更包括至少一收集棒位於該收集管中，且該收集棒包括鎳、銅、鐵、上述之合金、石英、玻璃、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯片的形成裝置，其中該碳氫氣體源混合一惰性氣體與該碳氫氣體以調整該碳氫氣體之濃度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯片的形成裝置，其中該碳氫氣體源係乙烯氣體源。
  8. 一種石墨烯片的形成方法，包括：提供一碳氫氣體至一氣導管中，其中該碳氫氣體不與任何與碳氫氣體反應的其他物質混合；提供一微波經一導波管與兩個導波塊通過該氣導管，使該碳氫氣體形成一微波電漿火燄，其中該微波電漿火燄使該碳氫氣體裂解形成一石墨烯片；以及以連接至該氣導管後段之一收集管，收集該石墨烯片。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯片的形成方法，其中該收集管包括鎳、銅、鐵、上述之合金、石英、玻璃、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯片的形成方法，其中該碳氫氣體之流速介於0.1m/s至1m/s之間，且該碳氫氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、或上述之組合。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯片的形成方法，其中該微波源之功率介於100W至5kW之間。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯片的形成方法，更包括將至少一收集棒置於該收集管中，以該收集棒收集該石墨烯片，且該收集棒包括鎳、銅、鐵、上述之合金、石英、玻璃、氧化鋁、氧化鎂、或氧化鋯。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯片的形成方法，在提供該碳氫氣體至該氣導管中之步驟前，更包括混合一惰性氣體與該碳氫氣體以調整該碳氫氣體之濃度。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯片的形成方法，其中該碳氫氣體係乙烯。
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