基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置製造方法
2023-08-09 21:06:06
基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置。它包括基片臺、石英套管、石英管、錐形電極、高壓負電電源、氦氣氣源；基片臺、石英套管和錐形電極布置在石英管內；基片臺可在石英管內平動；基片臺嵌入石英套管；錐形電極錐尖面對基片臺；錐形電極與高壓負電電源相連，基片臺接地；石英管一端開口，另一端與氦氣氣源相連。製備過程中，將氧化石墨烯紙固定在基片臺上，並通過高壓在氧化石墨烯紙與錐形電極之間形成具有正柱區的輝光放電等離子體。本實用新型可在常壓下實現石墨烯紙的快速製備，裝置和過程簡單，環境友好，能量利用率高，具備大規模放大應用的潛力，有利於推動石墨烯紙在多個領域的廣泛應用。
【專利說明】基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於等離子體和納米材料製備【技術領域】，尤其涉及一種基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由Sp2雜化碳原子以六方晶格排列的二維納米材料，自2004年首次發現以來，以其奇特的性能引起了極大興趣和廣泛關注。石墨烯紙是由多片石墨烯組成的可彎曲柔性材料，具有良好的導電性、大的比表面積和優良的機械性能，在能量存儲領域具有廣闊的應用前景。例如，石墨烯紙可以在無需粘結劑和導電劑的情況下作為可摺疊超級電容器儲能材料。
[0003]目前,石墨烯紙的製備方法主要有化學還原法(Haiqun Chen等，Adv.Mater.,2008，20，3557 - 3561 ；H.Shin 等，Adv.Funct.Mater，2009，19，1987-1992)和熱還原法(H.C.Schniepp等，Journal of Physical Chemistry B,2006,110,8535-8539 ;Υ.Zhu等，ACS Nano, 2010, 4，1227-1233 ;專利CN 101901640 A)。其中，化學還原法具有大規模生產石墨烯紙的潛力，但是常用的還原劑如肼或硼氫化鈉，具有化學毒性或爆炸性，容易造成環境汙染和危害人體健康。與此同時，由於還原劑的使用，容易在石墨烯紙中摻入雜質。與化學還原法相比，熱還原法無需還原劑，通過高溫實現氧化石墨烯紙表面含氧官能團的去除和還原，反應環境乾燥且不存在引入雜質的問題。但是，熱還原法的反應過程通常需要一定的高溫，在加熱和冷卻背景氣體的同時會造成能量的損耗和浪費。
[0004]等離子體作為物質的第四種形態，是一種能量轉換和有效利用的強大工具。目前已有利用多種等離子體源進行還原氧化石墨烯來製備石墨烯的報導。例如:微波等離子體源(Y.Zhu 等，Carbon, 2010,48, 2118-2122 ;Ζ.Li 等，Journal of Materials Chemistry,2010，20，4781-4783 ;專利 CN 102107870 A ;專利 CN 102139873A)，射頻電感耦合等離子體(Q.Wang 等,Applied Physics Letters, 2012, 101)和電子束等離子體(M.Baraket 等，Carbon，2010，48，3382-3390)等。為了實現較高的電子平均自由程以獲得電子的充分加速，上述等離子體還原過程通常需要在低壓或真空的環境中進行，這在很大程度上增加了設備的複雜性和製備成本。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置。
[0006]基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置包括:基片臺、石英套管、石英管、錐形電極、高壓負電電源和氦氣氣源；基片臺、石英套管和錐形電極布置在石英管內；基片臺可在石英管內平動；基片臺嵌入石英套管；錐形電極錐尖面對基片臺；錐形電極與高壓負電電源相連，基片臺接地；石英管一端開口，另一端與氦氣氣源相連。
[0007]優選的，所述基片臺的材料為導電金屬或石墨。[0008]優選的，所述石英套管和石英管之間存在間隙。
[0009]優選的，所述錐形電極的材料為導電金屬。
[0010]本實用新型與現有技術相比具有的有益效果:
[0011]I)本裝置可在2秒飛秒內實現氧化石墨烯紙的快速還原，裝置和過程簡單，具備大規模放大應用的潛力。
[0012]2)相比於化學還原法，此裝置無需添加還原劑，對人體和環境均無潛在的負面影響。
[0013]3 )相比於化學還原法，此裝置在乾燥條件下進行，不會在產物中引入雜質。
[0014]4)相比於熱還原法，此裝置無需加熱，利用等離子體中的高能電子實現氧化石墨烯紙的還原，具有更高的能量利用效率。
[0015]5)相比於微波等離子體、射頻電感耦合等離子體和電子束等離子體還原方法，此裝置可在常壓條件下進行，避免了低壓條件所需的複雜裝置和控制設備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的裝置示意圖。
[0017]圖中，基片臺1、石英套管2、石英管3、錐形電極4、高壓負電電源5、氦氣氣源6、負輝區7、正柱區8。
[0018]圖2為本實用新型實施例1所獲得的石墨烯紙掃描電鏡(SEM)圖。
[0019]圖3為本實用新型實施例1所獲得的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的X射線衍射(XRD)譜圖。
[0020]圖4為本實用新型實施例1所得到的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的X光電子能(XPS)譜圖。
[0021]圖5為本實施例1所得到的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的紅外光譜(FTIR)檢測圖。
[0022]圖6為本實施例1所得到的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的紫外-可見光(UV-Vis)譜圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0024]如圖1所示，基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置包括:包括基片臺1、石英套管2、石英管3、錐形電極4、高壓負電電源5和氦氣氣源6 ;基片臺1、石英套管2和錐形電極4布置在石英管3內；基片臺I可在石英管3內平動；基片臺I嵌入石英套管2，使得基片臺I表面的氧化石墨烯紙由石英套管2固定；錐形電極4錐尖面對氧化石墨烯紙；錐形電極4與高壓負電電源5相連，基片臺I接地；石英管3 —端開口，另一端與氦氣氣源6相連。
[0025]基片臺的材料選用導電金屬或石墨，錐形電極的材料選用導電金屬，其中石英套管和石英管之間存在間隙。
[0026]基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的方法如下:
[0027]I)、將氧化石墨烯紙放置在基片臺表面，採用石英套管進行固定，設置氧化石墨烯紙和錐形電極錐尖的距離為6釐米I釐米。[0028]2)、打開氦氣氣源，往石英管中通入氦氣，其中氦氣流量為I升/分鐘升/分鐘，持續10分鐘。
[0029]3)、保持氦氣流量不變，打開高壓負電電源，調整電壓至10千伏?15千伏，在氧化石墨烯紙和錐形電極錐尖之間產生輝光放電等離子體，形成負輝區，然後平動基片臺，調整氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖的距離為10.8釐米?15釐米，在氧化石墨烯紙和錐形電極錐尖之間保持負輝區存在的同時，形成正柱區。
[0030]4)、保持氦氣流量和電壓不變，持續放電2秒?5秒。
[0031]5)、關閉高壓負電電源，關閉氦氣氣源，獲得石墨烯紙。
[0032]下面結合具體實施例對本實用新型作進一步闡述，但本實用新型並不限於以下實施例。
[0033]實施例1
[0034]1.將天然石墨和質量濃度為98%的濃硫酸在室溫下均勻混合，其中濃硫酸和天然石墨的比例為25毫升:I克，在冰浴條件下加入高錳酸鉀，其中高錳酸鉀的質量是天然石墨的3.5倍，在磁力攪拌器中均勻攪拌30分鐘，將所得混合物加熱至35°C並在磁力攪拌器中均勻攪拌2小時，加入去離子水和雙氧水，其中去離子水和天然石墨的比例為100毫升:1克，雙氧水和天然石墨的比例為8毫升:1克，所得混合液通過離心機進行清洗處理，最後通過真空乾燥箱在35 °C條件下乾燥得到氧化石墨粉末。將去離子水加入所得到的氧化石墨粉末，其中氧化石墨粉末和去離子水的比例為0.3毫克:I毫升，通過300瓦超聲處理2小時得到氧化石墨烯在去離子水中的分散液，將獲得的分散液通過0.22微米孔徑的微孔濾膜進行24小時真空抽濾，最後在空氣中自然乾燥6小時，在微孔濾膜表面獲得氧化石墨烯紙。
[0035]2.將氧化石墨烯紙放置在基片臺I表面，採用石英套管2進行固定，即由石英套管2卡住放在基片臺I表面的氧化石墨烯紙。將基片臺1、石英套管2和錐形電極4布置在石英管3內，錐形電極4錐尖面對基片臺I。將錐形電極4與高壓負電電源5相連。將基片臺I接地。石英管3 —端開口，另一端與氦氣氣源6相連。
[0036]3.設置氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖的距離為6釐米，打開氦氣氣源6，往石英管3中通入氦氣，其中氦氣流量為I升/分鐘，持續10分鐘。保持氦氣流量不變，打開高壓負電電源5，調整電壓至10千伏，在氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖之間產生輝光放電等離子體，形成負輝區7，然後平動基片臺1，調整氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖的距離為10.8釐米，在氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖之間保持負輝區7存在的同時，形成正柱區8。保持氦氣流量和電壓不變，持續放電2秒。關閉高壓負電電源5，關閉氦氣氣源6，獲得石墨烯紙。
[0037]通過上述步驟，可以實現氧化石墨烯紙的還原，獲得片狀可彎曲的柔性石墨烯紙。圖2所示為本實用新型實施例1所獲得的石墨烯紙掃描電鏡(SBO圖，體現出典型的石墨烯紙形貌結構。圖3所示為本實用新型實施例1所獲得的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的X射線衍射(XRD)譜圖。氧化石墨烯紙和石墨烯紙的峰值所對應角度分別為10.2度和22.7度，相應的石墨烯層間距分別為0.87nm和0.39nm，層間距的減小證實了氧化官能團的消除。圖4為本實用新型實施例1所得到的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的X光電子能(XPS)譜圖。通過還原，石墨稀紙的C/0原子比為7.6: I,顯者聞於石墨稀紙的2.2:1。圖5為本實施例1所得到的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的紅外光譜(FTIR)檢測圖。氧化石墨烯紙在1738CHT1，3413cm-1,1383cm-1,1228cm-1 和 1054(^1 等位置出現了顯著的特徵峰，表明 C=0、0-H、C_0 等氧化官能團的存在，經過還原後，這些特徵峰在石墨烯紙的紅外光譜圖中或者消失或者強度顯著降低，證實了還原效果。圖6為本實施例1所得到的氧化石墨烯紙和石墨烯紙的紫外-可見光(UV-Vis)譜圖。特徵峰對應的波長從氧化石墨烯紙的230nm移動到石墨烯紙的264nm,證實了還原效果。
[0038]實施例2
[0039]重複實施例1，其不同之處僅在於:初始設置氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖的距離為7釐米，氦氣流量為2升/分鐘，負電高壓的電壓為12千伏，平動基片臺I後，調整氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖的距離為12釐米，持續放電3.5秒。通過上述步驟，可以獲得C/0原子比為5.4:1的石墨稀紙。
[0040]實施例3
[0041]重複實施例1，其不同之處僅在於:初始設置氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖的距離為8釐米，氦氣流量為3升/分鐘，負電高壓的電壓為15千伏，平動基片臺I後，調整氧化石墨烯紙和錐形電極4錐尖的距離為15釐米，持續放電5秒。通過上述步驟，可以獲得C/0原子比為6.1: I的石墨稀紙。
[0042]顯然，本實用新型的上述實施例僅是為了說明本實用新型所作的舉例，而非是對本實用新型的實施方式或實施材料的限定。事實上，隨著供給電壓的增大，可相應增加電極間距獲得具有正柱區的常壓輝光放電等離子體，實施方式在此不能一一列舉。凡屬於本實用新型的技術方案所引申的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護範圍之列。
【權利要求】
1.基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置，其特徵是:包括基片臺、石英套管、石英管、錐形電極、高壓負電電源和氦氣氣源；基片臺、石英套管和錐形電極布置在石英管內；基片臺可在石英管內平動；基片臺嵌入石英套管；錐形電極錐尖面對基片臺；錐形電極與高壓負電電源相連，基片臺接地；石英管一端開口，另一端與氦氣氣源相連。
2.根據權利要求1所述的基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置，其特徵是:所述基片臺的材料為導電金屬或石墨。
3.根據權利要求1所述的基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置，其特徵是:所述石英套管和石英管之間存在間隙。
4.根據權利要求1所述的基於輝光等離子體正柱區製備石墨烯紙的裝置，其特徵是:所述錐形電極的材料為導電金屬。
【文檔編號】C01B31/04GK203728584SQ201420063297
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月12日 優先權日:2014年2月12日
【發明者】薄拯, 岑可法, 嚴建華, 池湧, 李曉東, 祝偉光 申請人:浙江大學