大面積石墨烯的製備方法與流程
2023-05-16 23:45:21 1
本發明涉及一種大面積石墨烯的製備方法，尤指一種可有效將一高度石墨化石墨片分散為具有完整六角網狀平面結構的石墨烯的方法。
背景技術：
石墨烯為一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型蜂巢狀晶格的平面薄膜，為目前世界上最薄也是最堅硬的奈米材料。由於石墨烯的電阻率低，且幾乎是透明的，被期待用於發展更薄、導電速度更快的電子元件以應用在諸如半導體、面板、或是電池等領域中。
即使有許多期待，國際大廠也已競相投入石墨烯研究並積極布局，但現階段石墨烯技術還未能被大量應用，顯見目前還有許多技術上問題存在：無論是在石墨烯本身、或在配方上進行改良，以令石墨烯應用於複合材料時有更佳的效果。
技術實現要素：
本發明的主要目的，系在不破壞石墨烯的六角網狀平面結構的情況下，將一高度石墨化石墨片有效地分散為石墨烯。
為了達成上述目的，本發明提供一種大面積石墨烯的製備方法，其特徵在於提供一由一液流所產生的剪切力至一石墨分散液，該液流的速度大於每秒100公尺，該剪切力作用於該石墨分散液的石墨片，使該石墨片分散為一大面積石墨烯，該大面積石墨烯的層數小於20且具有一La介於1μm至1000μm之間的直徑，該La係為一由拉曼光譜所獲得的值。
因習知技術常以爆炸法或化學拆層法將石墨分散為複數個單層或多層石墨烯，但都有破壞該石墨烯的六角網狀平面結構的缺點，使得石墨烯物理特性變差，亦無法製得大尺寸且具有完美六角網狀平面結構的石墨烯。而本發明中，可透過一剪切力，在不破壞該石墨烯的六角網狀平面結構的情況下，將一高度石墨化石墨片分散為該大面積石墨烯。
附圖說明
圖1為本發明大面積石墨烯製備方法流程圖；
圖2為本發明用於製造大面積石墨烯的設備示意圖；
其中，3、噴嘴；29、石墨烯分散液；31、加壓器；32、進料口；33、管體；34、出料口；35、大面積石墨烯。
具體實施方式
於下文中，將搭配圖式詳細說明本發明。
請參考圖1，本發明提供一種大面積石墨烯的製備方法，包括以下步驟S1及S2：
S1：提供一石墨化石墨片；以及
S2：提供一剪切力，該剪切力作用於該石墨化石墨片，使該石墨化石墨片分散為一大面積石墨烯；其中，該大面積石墨烯的層數小於20且具有一La介於1μm至1000μm之間的直徑，該La係為一由拉曼光譜所獲得的值。
本實施例中，該石墨化石墨片為一高度石墨化石墨片，其石墨化程度介於0.8至1.0之間。在本文中，「石墨化程度(degree of graphitization)」意指石墨的比例，其石墨烯平面(graphene plane)間距離的理論值為3.354埃(angstrom)，因此當石墨化程度為1時，係指石墨烯堆棧最為緊密，其石墨平面間距(d(0002))為3.354埃。石墨化程度(G)可由下列式1計算：
式1G＝(3.440-d(0002))/(3.440-3.354)
據此，較高的石墨化程度系對應於較大的結晶尺寸，其系藉由石墨烯的六角網狀結構平面的延伸尺寸(La)以及堆棧層(Lc)的尺寸所決定。因此，一般而言，高度石墨化係指石墨化程度大於或等於0.8。
本實施例中，該大面積石墨烯的層數可介於1至5層之間。
本實施例中，根據施加剪切力於該高度石墨化石墨片的方式，該剪切力可為一溼式剪切力，並且，為有效分散該高度石墨化石墨片，該剪切力的作用力系大於該石墨烯間的結合力。
詳言之，該溼式剪切力可藉由一流體作用力使該高度石墨化石墨片分散為該大面積石墨烯，且該流體作用力的作用方向與該石墨烯的移動方向相反。於本發明的另一態樣中，該流體作用力系將該高度石墨化石墨片分散於一流體中，並將該流體通過一含有噴嘴的一循環系統，使該流體作用於該高度石墨化石墨片的表面或側面。於本發明的一特定態樣中，該流體作用位置較佳為該高度石墨化石墨片的側面。
更詳細來說，本案系提供一由一液流所產生的剪切力至一石墨分散液，該液流的速度大於每秒100公尺，該剪切力作用於該石墨分散液的石墨片，使該石墨片分散為一大面積石墨烯，該大面積石墨烯的層數小於20且具有一La介於1μm至1000μm之間的直徑(該La係為一由拉曼光譜所獲得的值)。
關於上述的循環系統，請參考圖2，為該循環系統示意圖，包含有：一噴嘴3，該噴嘴包括一進料口32、一出料口34以及一連通於該進料口32和該出料口34之間管體33；一連通至該進料口的加壓器31，用於加壓一石墨分散液29使其由該進料口32進入該管體33；其中，該管體33從該進料口32至該出料口34之間具有至少一內徑變化以及一形成於該內徑變化的段差，使該石墨分散液29的石墨片流經該管體33而逐漸減少層數至少於20層的大面積石墨烯35，該大面積石墨烯35具有一La介於1μm至1000μm之間的直徑(該La係為一由拉曼光譜所獲得的值)。
於本實施例中，該出料口34可連結回該進料口32，如此一來，該石墨分散液29可於該含有噴嘴的循環系統中重複循環，有效地將其中的高度石墨化石墨片分散為大面積石墨烯35。
本實施例中，該石墨分散液29於循環系統中的循環次數並無特別限制，只要所製造的該大面積石墨烯35的結構可達到所需層數即可。舉例而言，該循環次數可視情況進行1次至900次，較佳為50次至500次，更佳為100次至200次。
本實施例中，該高度石墨化石墨片於該循環系統的剪切力舉例可為1MPa至500MPa，較佳為10MPa至500MPa，更佳為50MPa至200MPa。據此，於本發明的一實施例中，當該石墨分散液29於該循環系統的循環次數為200次，由循環系統所產生作用於其中的該高度石墨化石墨片的剪切力可為200MPa，以達到最佳化分散效果，然本發明對此並無特別限制。
於本實施例中，該加壓器31的種類及其設置位置並無特別限制，只要能夠提供所需的液體作用力即可。舉例來說，本實施例中所使用的該加壓器31為一幫浦。此外，該加壓器31提供給該石墨分散液29的壓力較佳介於100MPa至500MPa之間，然在某些實施例中，亦可根據實際情況調整至適當的壓力範圍。
於本實施例中，為使該液體作用力能有效地分散該高度石墨化石墨片，該高度石墨化石墨片可形成一彎折角度，使該液體作用力施加於該高度石墨化石墨片的側面以分散為該大面積石墨烯35。舉例來說，該高度石墨化石墨片的該彎折角度可為30°至150°，從而使該液體作用力有效地施加於該高度石墨化石墨片的側面，以將其分散為該大面積石墨烯35。為達成上述目的，舉例來說，可於該管體34中設置有一凸壁，據此，液體中該高度石墨化石墨片可藉由流經該凸壁處而形成一90°的彎折角度。
此外，為了避免該大面積石墨烯35因熱力學作用而發生「軟凝聚現象」，本實施例中，該石墨分散液29於整個製備過程的溫度可為25℃至100℃、較佳可為20℃至50℃，從而避免已分散的該石墨烯35再度凝聚，且任何習知控制液體溫度的方法皆可應用於本實施例而無特別限制。
於本實施例中，該進料口32的內徑可大於該出料口34的內徑，然而具體的內徑尺寸可根據該石墨分散液29的石墨片固體含量而調整。舉例來說，譬如，於一實施例中，當該石墨分散液29的石墨片固體含量小於30wt.％時，該進料口32可有一介於5cm至10cm之間的內徑，而該出料口34具有一介於100μm至200μm之間的內徑；或於另一實施例中，當該石墨分散液29的石墨片固體含量大於或等於80wt.％時，該進料口32具有一介於100cm至500cm之間的內徑，該出料口34具有一介於5mm至10mm之間的內徑，本領域人士應可根據實際情況調整之，本發明對此並無特別限制。
本實施例中，該液流的速度並無特別限制且可依實際需求調整，舉例來說，可介於每秒100公尺至每秒1000公尺之間、較佳為介於每秒100公尺至每秒500公尺之間。
於本實施例中並不特別限制該石墨分散液29內該高度石墨化石墨片的濃度，只要該高度石墨化石墨片可於液體中藉由液體作用力有效地分散為該大面積石墨烯35即可。舉例來說，於一實施例中，該石墨片固體含量可小於30wt.％；而在另一實施例中，該石墨片固體含量可大於或等於80wt.％。
本實施例的目的在於利用不同溼式剪切力達到分散該石墨分散液29中高度石墨化石墨片的效果，其中，該溼式剪切力係為由製造大面積石墨烯35的設備所提供的液體作用力。故本實施例不特別限制所選用的液體種類，只要其能提供上述大面積石墨烯35製備方法所需的力即可。舉例而言，該液體可為至少一選自由水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、界面活性劑、鹽類、及其組合所組成的群組。於本發明的一特定態樣中，該液體可為N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
於本實施例中，為了更有效地利用剪切力將石墨分散液29中高度石墨化石墨片分散為大面積石墨烯35，可先將該高度石墨化石墨片進行一前處理，藉此前處理使高度石墨化石墨片膨脹化，增加其石墨烯的平面間距(d(0002))，如此一來將可使該高度石墨化石墨片更容易分散為該大面積石墨烯35。詳言之，只要不破壞石墨烯的六角網狀平面結構，任何前處理方法皆可使用，本發明並不特別限制，譬如，爆炸法、化學拆層法、超音波震蕩、球磨法、或上述方法的任意組合。
據此，經上述實施例所製備的該大面積石墨烯35即可具有完美的六角網狀平面結構。
試驗例
本試驗例系以一拉曼光譜分析儀分析上述第二實施例所獲得的石墨烯於平面結構的完整性，及其多層結構所包含的層數。
本試驗例所測試的石墨烯，系該高度石墨化石墨片於該設備中，經200MPa的溼式剪切力作用，並且循環200次所得的產物。
上述第二實施例所獲得的石墨烯進行拉曼光譜分析，以橫軸為拉曼位移(cm-1)，縱軸為吸收強度(a.u.)。習知石墨烯的拉曼光譜具有三個特徵峰，系分別為位於1364cm-1的D Band，顯示石墨烯中碳為Sp3的結構；位於1586cm-1的G Band，顯示石墨烯中碳為Sp2的結構；以及位於2700cm-1的2D Band，其系隨石墨烯的層數而有些許偏移及變化。由位於1364cm-1的D Band和位於1586cm-1的G Band兩者的強度比，可確定以本發明石墨烯製備方法製造的石墨烯具有相當完整的六角網狀平面結構，並且由位於2710cm-1的2D Band特徵峰可知所製造的石墨烯，其多層結構係為5層。據此，由上述說明可知，藉由一含有噴嘴的循環系統所產生的溼式剪切力，能夠快速將該高度石墨化石墨片分散為大面積石墨烯，且該大面積石墨烯具有較完美六角網狀平面結構。
上述實施例僅為了方便說明而舉例而已，本發明所主張的權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。