一种电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置，所述装置包括电解槽，电解槽内充满电解液，电解槽内设有与电源连通的极性相反的一组第一导电母线和第二导电母线，每个第一导电母线和第二导电母线上依次顺序间隔悬挂有石墨电极装置和对电极装置，电解槽上设有电解液出口，电解液出口通过设有第一开关阀的第一导管与泵连通后进入缓冲池，电解槽上还设有一组电解液进料口，每个电解液进料口通过设有第二开关阀的第二导管与缓冲池连通。这种装置低成本、具有安全高效、操作简便、可实现连续化生产的优点。可实现连续化生产的优点。可实现连续化生产的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置


[0001]本技术涉及电化学法规模化生产石墨烯的技术，具体是一种电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置。

技术介绍

[0002]石墨烯是具有完美单原子层的二维蜂窝型晶体，因其独特的物理结构而具有优异的光学、力学、电子学等性能，在光学、电子学、生物医学、储能以及传感器等领域具有潜在的应用前景，受到了来自科学界及各国政府的广泛关注，使得石墨烯领域相关的基础科学与应用技术在近十多年得到了迅猛发展。但是目前石墨烯的工业化生产和应用仍然缓慢，其中如何绿色、低成本、规模化生产高品质石墨烯是制约石墨烯领域发展的关键问题。
[0003]目前石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、SiC外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法、溶剂热法、电化学剥离法等，相对于其他方法，电化学剥离法具有低成本、快速高效、绿色环保等优点，近年来受到学术界和工业界的广泛关注和青睐，该方法以石墨作为阳极（或阴极），在不同的电解液中，利用电场作用驱动离子进入石墨电极装置，使其体积发生膨胀削弱层间范德华力，最终剥离脱落得到单层或少层石墨烯，该方法的特点主要有：（1）以石墨为原材料，价格低廉且储量丰富；（2）反应条件温和、操作简单、生产成本低；（3）生产过程无需使用强氧化剂和还原剂，具有绿色环保优势，同时能够减少石墨烯缺陷；（4）电化学剥离过程中电压和电流等关键工艺参数能够精准调控，可以实现石墨烯的可控生产和性能调控；（5）电化学剥离石墨反应过程在阳极获得石墨烯的同时，阴极将同步电解水生产清洁能源氢气，具备同一过程联产石墨烯和氢气的优势。
[0004]但是，目前电化学剥离法尚处于实验室基础研究阶段，生产方式主要为单一石墨电极装置剥离，烧杯级别的电化学剥离法虽然可以得到高品质的石墨烯产品，但是剥离效率和生产规模较小，无法满足工业级规模化生产的需求，因此，亟需开发高效、规模化的电化学剥离石墨制备石墨烯生产方法及相应装置。

技术实现思路

[0005]本技术的目的是针对现有技术得不足，而提供一种电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置。这种装置低成本、具有安全高效、操作简便、可实现连续化生产的优点。
[0006]实现本技术目的的技术方案是：
[0007]一种电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置，包括电解槽，所述电解槽内充满电解液，电解槽内设有与直流电源连通的极性相反的一组第一导电母线和第二导电母线，第一导电母线和第二导电母线提供电化学剥离电流，每个第一导电母线和第二导电母线上依次顺序间隔悬挂有石墨电极装置和对电极装置，石墨电极装置和对电极装置其中石墨电极装置上的第一导电极耳和对电极装置的第二绝缘极耳悬挂在第一导电母线上，石墨电极装置上的第一绝缘极耳和对电极装置上的第二导电极耳悬挂在第二导电母线上，电解槽上设有电解液出口，电解液出口通过设有第一开关阀的第一导管与泵连通后进入缓冲
池，电解槽上还设有一组电解液进料口，每个电解液进料口通过设有第二开关阀的第二导管与缓冲池连通。
[0008]所述石墨电极装置包括石墨和导电夹具，所述导电夹具设有第一金属夹片和第二金属夹片，石墨的边缘夹装在第一金属夹片和第二金属夹片之间，连接方式为金属-石墨-金属，接触面用紧固件固定住，其中第一金属夹片从覆盖石墨边缘部分的一侧向外延伸形成条状的第一导电极耳，第一导电极耳被第一绝缘板夹装，第一绝缘板与第一导电极耳呈镜像对称部分的形状与第一导电极耳该对称部分的形状一致为第一绝缘极耳，第一导电极耳和第一绝缘极耳朝外的端部均设有方向一致的半径与导电母线线径相同的半圆孔，第一导电极耳的半圆孔部伸出第一绝缘板，所述石墨的外部设有包裹着石墨的滤袋膜，所述石墨电极装置与导电母线的连接方式采用悬挂方式将电极装置固定在母线上。
[0009]所述对电极装置包括金属对电极板，电极板置于绝缘的离子交换膜支撑框架内，电极板从离子交换膜支撑架伸出的部分形成条状的第二导电极耳，第二导电极耳被第二绝缘板夹装，第二绝缘板与第二导电极耳呈镜像对称部分的形状与第二导电极耳的该对称部分的形状一致第二绝缘极耳，第二导电极耳和第二绝缘极耳朝外的端部设有方向一致的半径与导电母线线径相同的半圆孔，第二导电极耳的半圆孔部伸出第二绝缘板，所述离子交换膜支撑框架与对电极板工作面平行的两面均设有一组分隔框，每个分隔框内均设有与分隔框密封连接的离子交换膜，离子交换膜为全氟磺酸离子膜，离子交换膜支撑框架置于电解槽内时朝上的端部设有一组导气孔、离子交换膜支撑框架伸入电解槽的下部设有一组导液孔，对电极装置采用悬挂方式固定在母线上，其中，对电极板的外形尺寸略大于石墨的外形尺寸。
[0010]所述石墨电极装置和对电极装置的数量分别为N和N+1，相邻石墨电极装置和对电极装置构成一个电解单元，多个电解单元构成电极阵列，剥离方式为阳极剥离或阴极剥离，相邻石墨电极装置和对电极装置构成一个电解单元，阳极剥离时石墨阳极电极数量为N个，阴极电极为N+1个，阴极剥离时石墨阴极电极数量为N个，阳极电极为N+1个。
[0011]所述第一导电母线和第二导电母线的数量为至少1个，同一个电极阵列可使用独立的第一导电母线和第二导电母线，此时单级电解槽内导电母线数量为偶数，不同电极阵列也可以与相邻电极阵列共用一根导电母线，此时单级电解槽内的导电母线数量为奇数。
[0012]所述第一导电母线和第二导电母线上分别设有用于固定石墨电极装置和对电极装置的第一固定块和第二固定块，第一固定块和第二固定块分别在第一导电母线和第二导电母线可滑动，即通过第一固定块和第二固定块可调节石墨电极装置和对电极装置的间距。
[0013]所述石墨电极装置和对电极装置的极距为1-10cm。
[0014]所述石墨材质为石墨箔片、高定向热解石墨、天然鳞片石墨、石墨粉、活性炭、煤炭、煤焦、石油焦、生物炭中的一种。
[0015]所述电极板为钛板、不锈钢、镍板、铂片、石墨中的一种。
[0016]电解槽1中N个石墨电极装置和N+1个对电极装置阵列并联组成有2N个电解单元，相邻阴阳电极构成一个电解单元，一个石墨电极装置中由其相邻的两个对电极装置对石墨电极装置进行同步剥离，电解槽母线接通电源，首先在电解液中产生OH-自由基，然后OH-自由基攻击石墨边缘，打开其晶界，电解液中的离子插层进入到石墨层间，造成石墨膨胀，减
弱石墨片层间的作用力从而增大石墨的层间距；随着层间的水分子发生反应生产O2从而进一步将石墨剥离成石墨烯。
[0017]用上述电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置生产石墨烯包括如下步骤：
[0018]1）装置组装：完成石墨电极装置、对电极装置、电解槽的组装；
[0019]2）配置电解液：称取100-500g盐类物质，溶解38L于去离子或者NMP中配置成电解液，使用外循环促进电解液的流动，实现电解液恒浓控制，所述的盐类物质为水系电解液、有机电解液和离子液体中溶质的一种；
[0020]3）电剥离：将步骤2）制备的电解液注入电解槽中，将电解槽中的第一导电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置，其特征在于，包括电解槽，所述电解槽内充满电解液，电解槽内设有与电源连通的极性相反的一组第一导电母线和第二导电母线，每个第一导电母线和第二导电母线上依次顺序间隔悬挂有石墨电极装置和对电极装置，其中石墨电极装置上的第一导电极耳和对电极装置上的第二导电极耳悬挂在第一导电母线上，石墨电极装置上的第一绝缘极耳和对电极装置上的第二绝缘极耳悬挂在第二导电母线上，电解槽上设有电解液出口，电解液出口通过设有第一开关阀的第一导管与泵连通后进入缓冲池，电解槽上还设有一组电解液进料口，每个电解液进料口通过设有第二开关阀的第二导管与缓冲池连通。2.根据权利要求1所述的电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置，其特征在于，所述石墨电极装置包括石墨和导电夹具，所述导电夹具设有第一金属夹片和第二金属夹片，石墨的边缘夹装在第一金属夹片和第二金属夹片之间，连接方式为金属-石墨-金属，接触面用紧固件固定，其中第一金属夹片从覆盖石墨边缘部分的一侧向外延伸形成条状的第一导电极耳，第一导电极耳被第一绝缘板夹装，第一绝缘板与第一导电极耳呈镜像对称部分的形状与第一导电极耳该对称部分的形状一致为第一绝缘极耳，第一导电极耳和第一绝缘极耳朝外的端部均设有方向一致的半径与导电母线线径相同的半圆孔，第一导电极耳的半圆孔部伸出第一绝缘板，所述石墨的外部设有包裹着石墨的滤袋膜，所述石墨电极装置与导电母线的连接方式采用悬挂方式将电极装置固定在母线上。3.根据权利要求1所述的电极阵列电化学剥离石墨生产石墨烯的装置，其特征在于，所述对电极装置包括金属对电极板，电极板置于绝缘的离子交换膜支撑框架内，电极板从离子交换膜支撑架伸出的部分形成条状的第二导电极耳，第二导电极耳被第二绝缘板夹装，第二绝缘板与第二导电极耳呈镜像对称部分的形状与第二导电极耳该对称部分的形状一致为第二绝缘极耳，第二导电极耳和第二绝缘极耳朝外的端部设有方向一致的半径与导电母线线径相同的半圆孔，第二导电极耳的半圆孔部伸出第二绝缘板，所述离子交换膜支撑框架与对电极板工...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋卷涛，刘志恒，黄有国，李庆余，王红强，郑峰华，刘葵，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：新型
国别省市：