一种采用高压脉冲电源的石墨烯制备装置和制备方法
一种采用高压脉冲电源的石墨烯制备装置和制备方法
本发明属于石墨烯制备，特别是涉及一种采用高压脉冲电源的石墨烯制备装置和制备方法。
背景技术
石墨烯作为一种创新型材料，具有卓越的导电性、热导性和机械强度，以及化学稳定性，使其在生物医学、电子设备、传感器和能源存储等多个领域展现出巨大的应用潜力。然而，其批量生产过程中仍存在许多技术难题，如制备周期长、成本高、效率低等。
目前，制备石墨烯的方法主要包括化学气相沉积（cvd）、化学还原法、机械剥离法等。然而，传统制备石墨烯的方法具有局限性，表现在：首先，传统的化学气相沉积法需要高温和复杂装置，导致制备周期长且成本高，这限制了石墨烯的大规模应用；其次，基于化学还原法的制备方法需要使用如水合肼、硼氢化钠等有毒还原剂，安全性差、对环境造成不良影响；最后，机械剥离法虽然能获得单层石墨烯，但生产效率低下且成本高。
综上，亟需一种高效、低成本的石墨烯制备方法，以实现稳定、快速、高效的石墨烯生产。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种采用高压脉冲电源的石墨烯制备装置和制备方法。
石墨烯制备装置
该装置包括滑动轨道，以及设置于滑动轨道上的固定外壳和活动外壳，设置在固定外壳和活动外壳之间的四通管。四通管固定设置在滑动轨道上，上端口连接至氮气源、左端口连接至一个导体、右端口连接至另一个导体。两个导体分别连接至试验电流源，高压脉冲电源的正极加在导体与试验电流源的正极同侧。
固定外壳和活动外壳均为玻璃外壳，采用有机玻璃材质。四通管为四通玻璃管，具有上、下、左、右四个端口，于四通玻璃管下端口设置封口塞。四通管两端的导体为铜导体。每个导体一端穿过同侧的固定外壳或活动外壳与接线端子电性连接件，从而连接至试验电流源或高压脉冲电源，另一端嵌入四通管中。
此外，还包括连接至四通管下端口的用于储存石墨烯产品的容器，所述容器为玻璃瓶。还包括连接至四通管下端口的超声振动器，超声振动器产生振动使得附着在四通玻璃管的内壁的石墨烯储存进四通玻璃管的下端口连接的玻璃瓶中。
石墨烯制备方法
基于上述装置，石墨烯制备方法包括以下步骤：
- 将石墨粉放入四通管的中间，同时调整活动外壳，带动导体向中心移动，与另一端导体联合压紧石墨粉，使得石墨粉在四通管中尽可能的紧实；
- 通过调节氮气流量控制器，使得氮气充满四通玻璃管中；
- 将试验电流源通过左接线端子和右接线端子分别连接至左、右两侧的导体，同时将高压脉冲电源的正极加在铜导体与试验电流源的正极同侧；
- 将四通管另一侧连接导体的玻璃管的表面用铜箔包裹，将高压脉冲电源另一侧接在铜箔上；
- 将试验电流源保持导通，将电流加在石墨粉两侧；
- 通过将继电器中的控制电路设置为导通一定时间，将高压脉冲电源导通，使得高压瞬间加在石墨粉两侧；
- 当高压电流通过石墨粉时，高温导致石墨粉体积膨胀；
- 在高温、高压电流的促进下，石墨粉逐步转变为石墨烯，附着在四通玻璃管的内壁；
- 通过设置继电器的断路时间去控制高压脉冲电源关闭，使得高电压瞬间消失，电路断路，电流消失，温度瞬间降低；
- 通过超声振动器的振动使得附着在四通管的内上壁的石墨烯储存进四通管的下侧口连接的玻璃瓶中。
优点
- 快速高效：通过继电器控制，实现对石墨烯制备过程的精确控制，可以快速而稳定地制备高质量的石墨烯。与传统方法相比，减少了制备时间和人工操作的需求，提高了生产效率。
- 稳定性好：采用滑动轨道和铜导体结构，使得装置的结构稳定可靠，不易受外界干扰影响。同时，通过氮气气瓶和氮气流量控制器的配合，可以消除制备环境中的氧气，防止石墨烯被氧化。
- 灵活性强：通过调节氮气流量、电流大小和通电时间等参数，可以控制制备的石墨烯的层数和质量。适用于制备不同要求的石墨烯样品，具有较大的应用范围。
- 节能环保：采用氮气作为保护气体，可以减少石墨烯的氧化现象，提高产率和纯度。同时，该装置设计合理，能耗低，节约原材料和能源。
- 操作简便：简化操作步骤，降低操作复杂性。无需高温条件和有毒还原剂，使操作更安全、便捷。
- 可控性强：通过使用高压脉冲电源作为开关，可以精确控制施加在石墨粉两端电压和电流的时间，进而精确控制制备石墨烯的层数。
总结
本发明提供的制备装置和方法能够实现高效、低成本、环境友好的石墨烯生产，且该方法制备过程中不会产生氧化石墨烯，且无需使用化学药剂等，从而彻底解决了石墨烯制备中的周期长、成本高、效率低，和环境污染等问题。同时，本发明引入瞬态放电法，提供了一种快速、稳定制备四层以内不同层数石墨烯的装置和方法。