[发明专利]石墨烯片的形成装置与形成方法

说明书

技术领域

本发明是关于石墨烯片，更特别是关于其形成方法与对应装置。

背景技术

石墨烯片具有良好的散热、导电及机械强度等优异性质；因此，石墨烯片可用来散热胶、导热胶极强化复合材料等用途。传统化学法将石墨块拆解成少数层石墨烯片(few-layer graphene)，需使用高温及消耗大量化学药品，且产率不高。电解法可制得少数层石墨烯片，但电解耗时甚久，且电解过程会对同时破坏石墨烯片，无法大量迅速制得石墨烯片。

微波等离子体火焰法可用以制得石墨烯片，见Nano Letters V8，2012-20162008“Substrate-Free Gas-Phase Synthesis of Graphene Sheets”。此论文将微波等离子体火焰通入乙醇制作石墨烯片，但此方法采用液态碳源(乙醇)，有流量控制不易及等离子体流场不稳定等缺点，而无法扩大至量产规模。

综上所述，目前亟需新的方法及对应装置，以大量形成石墨烯片。

发明内容

本发明一实施例提供一种石墨烯片的形成装置，包括：气导管；碳氢气体源，连接至气导管前段以提供碳氢气体通过气导管；微波源，提供微波经导波管通过气导管中段，使碳氢气体形成微波等离子体火焰，其中微波等离子体火焰使碳氢气体裂解后并形成石墨烯片；以及收集管，连接至气导管后段以收集该石墨烯片。

本发明一实施例提供一种石墨烯片的形成方法，包括：提供碳氢气体至气导管中；提供微波经导波管通过该气导管，使碳氢气体形成微波等离子体火焰，其中微波等离子体火焰使碳氢气体裂解后并形成石墨烯片；以及以连接至气导管后段的收集管，收集石墨烯片。

附图说明

图1为本发明一实施例中，石墨烯片的形成装置的示意图；

图2为本发明另一实施例中，石墨烯片的形成装置的示意图；以及

图3为本发明其他实施例中，石墨烯片的形成装置的示意图。

【主要元件符号说明】

11～气导管；

13～碳氢气体源；

14～导波块；

15～微波源；

16～导波管；

19～收集管；

20～微波等离子体火焰；

21～收集棒。

具体实施方式

图1为本发明一实施例中，石墨烯片的形成装置的示意图。此装置的主体为气导管11，其前段连接至碳氢气体源13，其中段经导波管16连接至微波源15，且其后段连接至收集管19。在本发明一实施例中，气导管11为不吸收微波的耐高温材料，如二氧化硅(石英)、氧化铝、氧化镁、或氧化锆等材料。碳氢气体源13可提供碳氢气体如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、其他气体、或上述的组合至气导管11中。举例来说，碳氢气体源13可为气体钢瓶。在本发明一实施例中，碳氢气体可为乙烯。由于乙烯本身为平面结构，更有利于形成平面结构的石墨烯片。碳氢气体的流速介于0.1m/s至1m/s之间。若碳氢气体的流速过高，则产率太低。若碳氢气体的流速过低，则产能太低。由于本发明以碳氢气体作为碳源，可精准控制气体流量。与液态碳源如醇类、高碳数烷类如戊烷或己烷、或苯类相较，上述碳氢气体可省却雾化步骤，即减少装置复杂性。碳氢气体源13可混合其他不与碳氢气体反应的惰性气体如氩气、氦气、或上述的组合以调整碳氢气体浓度，以辅助解离碳氢气体。值得注意的是，本发明并不将任何与碳氢气体反应的其他物质(如金属)混入碳氢气体中，以避免降低石墨烯片的纯度及/或产率。

微波源15产生的微波，经导波管16穿过气导管11中段，使气导管11中的碳氢气体形成等离子体。在本发明一实施例中，微波源15的功率介于100W至5kW之间。若微波源15的功率过高，则易生缺陷石墨烯于石墨烯片中。若微波源的功率过低，则无法合成石墨烯片。如图1所示，可视情况采用微波集中装置如导波块14，使较低功率的微波得以集中成较高功率的微波。虽然图1中的微波源15仅经由导波管16连接至右侧的导波块14，本领域技术人员应理解微波源15也可经由导波管16连接至左侧的导波块14(见图3)。将钨丝(未图示)伸入气导管11中即可点燃微波等离子体，使其形成微波等离子体火焰20。微波等离子体火焰20将裂解碳氢气体使其形成石墨烯片。