制备石墨烯的设备、方法及其制得的石墨烯技术

制备石墨烯的设备，包括罐体和固定连接在罐体底部的支架，所述罐体的底部设有通孔，还包括工作电极基底、玻璃管，所述玻璃管与所述工作电极板的接触面之间设有多孔分离器，石墨置于所述玻璃管的底部且与所述多孔分离器和工作电极基底接触，石墨的顶部设有玻璃纤维过滤膜，所述玻璃纤维过滤膜的上表面设有通过通孔伸入所述玻璃管内部的重力挤压器，所述设备还包括参比电极和对电极。使用该设备制备石墨烯的方法包括放置石墨颗粒，挤压石墨颗粒以及接入恒压电流，并通过该方法制得石墨烯。本发明专利技术提高生产安全，具有环保性和推广性。

Apparatus and method for preparing graphene and graphene obtained from the same

A device for preparing graphene consists of a tank and a bracket fixed at the bottom of the tank. The bottom of the tank is provided with a through hole, and a working electrode base and a glass tube. The glass tube is equipped with a porous separator between the contact surface of the working electrode plate, and the graphite is placed at the bottom of the glass tube and is separated from the porous partition. The top of the graphite is provided with a glass fiber filter membrane. The upper surface of the glass fiber filter is provided with a gravity extruder that extends through the hole into the glass tube, and the device also includes a reference electrode and a pair of electrodes. The method of preparing graphene by using this device includes placing graphite particles, extruding graphite particles and accessing constant voltage current, and graphene is obtained by this method. The invention improves production safety, and has environmental protection and popularization.

【技术实现步骤摘要】
制备石墨烯的设备、方法及其制得的石墨烯
本专利技术涉及石墨烯制备
，特别是涉及一种制备石墨烯的设备、由所述设备制备石墨烯的方法及由此方法制得的石墨烯。
技术介绍
石墨烯作为一种新型二维纳米材料，是至今发现的最轻，最薄，最坚硬的纳米材料，其优异的电学性质决定了它潜在的诸多应用。其应用领域包含透明电极，锂电池，污水处理薄膜等等。随着世界对于新兴纳米材料的需求量不断增加，石墨烯的产量和生产能力也在逐年上升。然而目前主要的Top-down合成方法所采用的合成条件不可避免的使用强酸，高温，高压等反应条件，例如，传统大规模生产石墨烯的方法均包含爆炸性物质高锰酸钾和强酸的使用，这些物质和剧烈的反应条件不仅在较大尺度生产反应中存在着很高的安全隐患，而且强酸的大量使用在当今中国社会对于环境保护的越来越高要求的大背景下，给反应过后溶液的处理提出了非常高的难题，存在严重的环境污染问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种采用恒压电化学法制备石墨烯的设备来帮助石墨在反应中的紧密堆叠、有效接触以及在生产过程中使用少量的强酸并排除了爆炸性高锰酸钾的使用，同时本专利技术还提供一种采用该设备用以制备石墨烯的方法，具有环保性和推广性。为解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案来解决：制备石墨烯的设备，包括罐体和固定连接在罐体底部的支架，所述罐体的底部设有通孔，还包括设于支架底部的工作电极基底、穿过通孔并垂直固定设置在工作电极基底上的玻璃管，所述玻璃管与所述工作电极板的接触面之间设有多孔分离器，石墨置于所述玻璃管的底部且与所述多孔分离器和工作电极基底接触，石墨的顶部设有玻璃纤维过滤膜，所述玻璃纤维过滤膜的上表面设有通过通孔伸入所述玻璃管内部的重力挤压器，所述设备还包括参比电极和对电极，所述参比电极通过重力挤压器顶部插入至底部，所述对电极与所述重力挤压器相连接。具体的，所述玻璃管与所述工作电极基底之间还设有封口膜，所述封口膜上设有用于多孔分离器与工作电极基底相接触的开口，所述重力挤压器下方与玻璃纤维过滤器相接触的面上设有空洞。具体的，所述重力挤压器包括伸入玻璃管的圆管、设置在圆管底端的挤压板和设置在圆管顶部的支撑板，所述支撑板上设有用于固定参比电极的通孔以及用于施加压力的砝码。具体的，所述工作电极基底为钛材料。具体的，所述罐体为聚酰亚胺材料，所述玻璃管为环氧树脂材料。基于同一种构思，本专利技术还提供一种采用上述制备石墨烯的设备制备石墨烯的方法，包括以下步骤：S1：将石墨颗粒放置玻璃管的底部其位于所述工作电极基底之上和重力挤压器之下；S2：通过在重力挤压器上的支撑板上施加重力使石墨颗粒挤压贴近工作电机基底；S3：在空管中添加水溶酸性电解液浸没石墨颗粒；S4：在工作电机基底与对电极施加恒定电流和保持反应中对于石墨材料的重力挤压。具体的，所述水溶酸性电解液主要由高氯酸、硫酸、硝酸、磷酸和其他无机酸组成。具体的，所述恒定电流的密度为7.5-30mA/cm2。具体的，所述S1步骤之前还包括对工作电极基底清洁步骤，将工作电极基底在丙酮中超声处理10分钟，洗去表面油脂清洗，然后浸没于乙醇中两分钟，最后用超纯水冲洗数次。基于同一种构思，本专利技术还提供采用上述设备和方法制备得到的石墨烯，其表面电阻值为1000Ω/cm，所述石墨烯之间具有机官能团。本专利技术相比现有技术具有以下优点及有益效果：本专利技术提供了制备石墨烯的设备以及通过该设备制备石墨烯的方法，摆脱了传统化学法石墨烯合成工艺中的局限和障碍，通过电化学机理完成对石墨材料的剥离，并生产高质量石墨烯，相比于传统电化学剥离石墨烯方法，本专利技术采用了重力挤压器能够保证石墨片层之间的有效接触，将石墨材料紧密堆叠并且浸泡于电解液中。并且本方法工作过程中使用最少量的强酸并排除了爆炸性高锰酸钾的使用，是目前最环保的大规模生产石墨烯的方法，该方法通过控制石墨虑饼膜反应中的状态研究，保证对反应恒压氧化过程的控制，从而使得反应充分进行，反应后的电解液将被回收和再次利用，再进一步减少反应废液的产生，将反应中所使用溶剂对环境的影响降到最低，该设备以及方法也因此具有很高的放大规模生产可能性，在目前对石墨烯材料需求扩大，并对环境保护意识增强的现代社会具有举足轻重的作用和意义深远的影响，本专利技术所制得的石墨烯具有低电阻性、与有机材料之间具有高的结合性能。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术一种制备石墨烯的设备的横截面结构示意图。图2为本专利技术石墨烯制备方法中的线性伏安扫描曲线图。图3为本专利技术所制成石墨烯薄膜的电子显微镜下的结构示意图。图4为本专利技术根据不同电压强度条件下所制成石墨烯薄膜产品的XRD特征谱线图。图5为本专利技术根据不同电压强度条件下所制成石墨烯薄膜产品的FTIR特征谱线图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。如图1至图5所示，本专利技术的一种制备石墨烯的设备是通过3D打印机打印而成，采用半透明的1.75mm半径ABS塑料，所述罐体1采用聚酰亚胺材料，首先将罐体1通过支架2设置在工作电极基底3上，通过采用夹钳的方式将玻璃管4伸入通孔并固定在工作电极基底3上，玻璃管4与工作电极基底3之间通过封口膜(图示中未标记)进行封装，并在封口膜上剪出开口，所述多孔分离器5首先放置在玻璃管4的底部，在将石墨颗粒倒入玻璃管4且均匀分布在玻璃管4下部的区域内，由于玻璃管4的底部设有开口，因此石墨颗粒通过多孔分离器5与工作电极基底3充分接触。将玻璃纤维过滤膜6制成玻璃管4的形状且放置在石墨颗粒的顶部，在将重力挤压器7通过通孔101伸入所述玻璃管4中其底部与所述玻璃纤维过滤膜6相接触，其顶部设有用于施加压力的砝码8，对玻璃管底部4的石墨颗粒进行加压，可以有效的排除玻璃管4内部的气体以及石墨颗粒之间的接触。所述重力挤压器7下方与玻璃纤维过滤器6相接触的面上设有空洞可以促进电解液和产生气体的自由移动。所述参比电极9通过重力挤压器9顶部插入至底部，用于进行电解，所述对电极10与所述重力挤压器7相连接，对电极10连接至恒电压计，在工作中的电压始终保持稳定。本专利技术的具体实施过程如下：首先在反应前将工作电极基底1在丙酮中超声处理十分钟，洗去表面油脂清洗，然后浸没于乙醇中两分钟，最后用超纯水冲洗数次，将工作电极，对电极10和参比电极9连接至恒电压电源上，随后将硫酸铵和硫酸溶液电解液倒于玻璃管4的内部，通过重力挤压器7施加压力，使石墨颗粒从石墨床中脱离，从而用以制备石墨烯。打开恒压电源的开关，进行三种不同电流强度的测试，这三种电流按强度区分分别为：高强度电流(21.55mA，电流密度根据石墨床面积可换算为30mA/cm2)，中强度电流(10.77mA，电流密度根据石墨床面积可换算为15mA/cm2)，低强度电流(5.39mA，电流密度根据石墨床面积可换算为7.5mA/cm2)，测试中实验时间为80000秒(若无特殊说明)，145100(延长时间)，如图2所示，得到相应的线性伏安扫描曲线。通过实验得到石墨烯在高强度电流下可以产生氧化性较少的石墨烯，而低强度电流可以更有效地氧化石墨烯。因此，这种电化学剥离法可以有效地调节石墨烯的氧化程度。反应完成后，按顺序断开仪器链接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.制备石墨烯的设备，包括罐体和固定连接在罐体底部的支架，所述罐体的底部设有通孔，其特征在于：还包括设于支架底部的工作电极基底、穿过通孔并垂直固定设置在工作电极基底上的玻璃管，所述玻璃管与所述工作电极板的接触面之间设有多孔分离器，石墨置于所述玻璃管的底部且与所述多孔分离器和工作电极基底接触，石墨的顶部设有玻璃纤维过滤膜，所述玻璃纤维过滤膜的上表面设有通过通孔伸入所述玻璃管内部的重力挤压器，所述设备还包括参比电极和对电极，所述参比电极通过重力挤压器顶部插入至底部，所述对电极与所述重力挤压器相连接。

【技术特征摘要】
1.制备石墨烯的设备，包括罐体和固定连接在罐体底部的支架，所述罐体的底部设有通孔，其特征在于：还包括设于支架底部的工作电极基底、穿过通孔并垂直固定设置在工作电极基底上的玻璃管，所述玻璃管与所述工作电极板的接触面之间设有多孔分离器，石墨置于所述玻璃管的底部且与所述多孔分离器和工作电极基底接触，石墨的顶部设有玻璃纤维过滤膜，所述玻璃纤维过滤膜的上表面设有通过通孔伸入所述玻璃管内部的重力挤压器，所述设备还包括参比电极和对电极，所述参比电极通过重力挤压器顶部插入至底部，所述对电极与所述重力挤压器相连接。2.根据权利要求1所述的制备石墨烯的设备，其特征在于：所述玻璃管与所述工作电极基底之间还设有封口膜，所述封口膜上设有用于多孔分离器与工作电极基底相接触的开口，所述重力挤压器下方与玻璃纤维过滤器相接触的面上设有空洞。3.根据权利要求1所述的制备石墨烯的设备，其特征在于：所述重力挤压器包括伸入玻璃管的圆管、设置在圆管底端的挤压板和设置在圆管顶部的支撑板，所述支撑板上设有用于固定参比电极的通孔以及用于施加压力的砝码。4.根据权利要求1所述的制备石墨烯的设备，其特征在于：所述工作电极基底为钛材料。5.根据权利要求1所述的制备石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟育霖，卓志坚，黄春玉，
申请(专利权)人：珠海市扬程玻璃制品有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44