[发明专利]规模化量产制造石墨烯及石墨烯氧化物的设备及其方法

说明书

技术领域

本申请案有关一种石墨烯及石墨烯氧化物的制程设备及方法，尤其是一种规模化量产石墨烯及石墨烯氧化物的制程设备及方法。

背景技术

石墨烯(graphene)是一种单原子层的石墨，每个碳原子间以sp²混成与相邻的三个原子形成键结，并延伸成蜂窝状的二维结构。已知，石墨烯的载子迁移率(carrier mobility)可达200,000cm²/V.s，同时也具有良好的导热及高穿透率等性质，因此目前已被广泛应用于半导体、触控面板或太阳能电池等领域中。

用以制造石墨烯的习知技术包含机械剥离法(mechanical exfoliation)、磊晶成长法(epitaxial growth)、化学气相沈积法(chemical vapor deposition，CVD)及化学剥离法(chemical exfoliation)等方法。其中，机械剥离法及磊晶成长法，虽然可以生成质量为优的石墨烯，但这两种方法均无法大面积合成石墨烯。化学气相沈积法的制备过程中，则必须使用近千度的高温及昂贵的金属基板，且须费时数小时才能完成。化学剥离法主要系先将石墨氧化，最后再经过高温还原的步骤使石墨烯恢复其原本的晶格形状使其具有导电性。然而，氧化的过程会造成石墨烯的晶格受到破坏，且并非所有的氧化石墨烯均能有效地被还原。上述这些方法的不足处，都限制了石墨烯的生产及后续的应用。

因此，如何提供一种方法能于常温下生产，兼具低成本、流程简便及快速生产高质量的石墨烯，已成为重要课题。美国专利US 7,790,285提供一种用以制造奈米级石墨烯小片(nano-scaled grapheme platelet)的方法，其方法包含将碳纤维或是石墨纤维以一种嵌入(intercalation)形式穿插在层间的空隙，再将被嵌入的纤维进行剥离，变成石墨烯片(graphene sheets或graphene flakes)；接着将石墨烯片进一步分离，即获得奈米级石墨烯小片。

另，美国专利US 7,892,514则提供一种层状物质如石墨(graphite)或氧化石墨(graphite oxide)的剥离方法，以生成具有平均厚度为0.34至1.02nm的奈米级小片(platelet)。该方法包含在一特定蒸气压下，在一高于卤素溶点或是升华点的温度下，对层状物粉末进行嵌入(intercalation)；接着以第二个高于卤素的沸点的温度，让嵌入的卤素原子撑开化合物层间，使化合物剥离(exfoliation)成小片(platelet)；或是将受到嵌入的化合物溶于一液体基质中，以超音波将化合物剥离成小片物质。其中卤素可为如Cl₂，Br₂，I₂，ICl，IBr，BrCl，IF₅，BrF₃，ClF₃，或其混合物，请参其说明书第4栏第10-18行。

此外，申请人另于台湾地区专利申请案第100115655号中阐明一种制备石墨烯的方法，其系以化学剥离法制造石墨烯，以电化学电解液中的离子作为嵌入物(insert)并辅以电压将离子进行嵌入，随后再利用不同电压将石墨烯剥离。

上述先前技术所揭示的制造石墨烯的内容仅在于经由其所揭示的方法制备少量石墨烯。然而，因应目前半导体、触控面板及太阳能电池等领域科技发展的广大需求，流程简便、大量、且连续规模化石墨烯制备的设计已日趋重要。本发明即针对如何规模化制备的课题，提供一种快速生产高质量石墨烯的制造设备的设计及方法。同样的电解方法也可以用于生产石墨烯氧化物。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的一目的为提供一种低成本、流程简便及快速生产高质量的石墨烯及石墨烯氧化物的制造设备。

本发明的另一目的为提供一种规模化量产石墨烯及石墨烯氧化物的方法，基于此项技术所已知的电化学剥离法制作石墨烯及石墨烯氧化物。依据本发明的一种石墨烯及石墨烯氧化物的制造设备，其包含设置：第一电极，其包含一包含石墨初始材料的电极座、第二电极、一电解槽、一电源供应器、及一过滤与分离产物的模块。在本发明的一实施态样中，第一电极为一包含石墨初始材料的电极座，而第二电极亦为一包含石墨初始材料的电极座或一金属。所谓石墨初始材料亦包含石墨与金属的混合物。