一种提高石墨烯制备效率的装置与方法与流程

本发明属于人工制备石墨烯领域，特指常温常压下提高石墨烯制备效率的方法与装置。

背景技术：

石墨烯拥有独特的物理化学性能，然而，微小的石墨烯是无法真正发挥出它的优越性质的，因此，大尺寸、高效率石墨烯的制备的研究是有必要的。石墨烯自从2004年问世以来，如何高效的制备就一直吸引着科研人员的密切关注，制备石墨烯的理论与方法也层出不穷。除了有传统的机械剥离和氧化还原法之外，还有后来被广泛应用的的化学气相沉积法及外延生长法，目前激光诱导制备石墨烯技术也成为研究的热点。

激光产生于20世纪60年代，从出现到今天的大规模应用，它就在工业生产和科学研究方面扮演着至关重要的角色。尤其在材料强化处理、再制造生产、激光切割、激光焊接、激光打标以及诱导结构转变方面，其独特的光学作用过程为生产高质量产品做出巨大贡献。激光器也在不断的改进更新，至今已经出现很多代的产品，每种产品也有许多规格，形成了包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器等在内的几种主流激光器，脉冲激光器的脉宽也从毫秒，纳秒，皮秒发展到如今的飞秒。自从石墨烯被发现以来，激光在生产石墨烯中的应用也得到迅速发展，与传统的制造技术(如机械剥离、化学气相沉积)相比，激光冲击制备石墨烯具有简单的工艺流程、对生产环境要求不高、安全性高、可靠性好等优点。

石墨是堆栈式的片状结构，层与层之间是通过范德华力吸引在一起的，它既表现为原子性又有分子晶体的物理化学特性，碳原子通过c-c键连接在一起，这种共价键的结合力非常强，所以使其具有极高的熔点。激光的高能量可以在短时间内破坏石墨之间的结合力，这是由于激光能量受到周围水溶液的约束无法迅速散开，在焦点附近形成高温高压的等离子体，原子结构重组产生新的碳相组织，在产物中观察到石墨烯的产生。

目前关于激光冲击液体介质中碳材料制备石墨烯的研究比较少，对于石墨烯制备的基底材料的研究更加有限，在工业应用中，经常需要将石墨烯转移到实际应用的材料上以提升材料的导电性能等。利用激光制备石墨烯降低了转化条件，但一直没有专用的制备设备，实施操作依然很复杂，且其效果也不明显，转化效率依然很低，不利于投入生产。另外，激光作用石墨固体靶材时，由于激光能量大，会使石墨靶材飞溅，污染制备平台。

技术实现要素：

本发明针对以上技术的不足，提供一种提高石墨烯制备效率的装置及方法，利用该装置进行石墨烯合成，合成效率和材料利用率较高，工艺简单，设备成本低，能连续制备出高质量，层数均匀的石墨烯。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种提高石墨烯制备效率的装置，包括移动平台，所述移动平台上设有反应室，所述反应室内装有去离子水，石墨固体靶材位于所述反应室内的去离子水溶液中，所述石墨固体靶材的一侧与所述反应室的内壁面之间设有第三旋转轴和第二旋转轴，所述第二旋转轴位于所述反应室内去离子水溶液的上方，所述第三旋转轴位于所述第二旋转轴正下方的去离子水溶液中，所述第二旋转轴所在的平面上还设置有第一旋转轴，所述第三旋转轴上卷绕有第二铜箔，所述第二铜箔从所述第三旋转轴上经过所述第二旋转轴缠绕到所述第一旋转轴上，所述反应室上方设置有脉冲激光装置。

上述方案中，所述石墨固体靶材的另外一侧与所述反应室的内壁面之间设有第四旋转轴和第五旋转轴，所述第五旋转轴位于所述反应室内去离子水溶液的上方，所述第四旋转轴位于所述第五旋转轴正下方的去离子水溶液中，所述第五旋转轴所在的平面上还设置有第六旋转轴，所述第四旋转轴卷绕有第一铜箔，所述第一铜箔从所述第四旋转轴上经过所述第五旋转轴缠绕到所述第六旋转轴上，所述脉冲激光装置发出的激光经过扩束镜扩大光斑直径并经过分光镜反射和分光后产生第一激光束和第二激光束，所述第一激光束通过聚焦透镜冲击到水中石墨固体靶材的一侧的立面上，所述第二激光束通过聚焦透镜冲击到水中石墨固体靶材的另外一侧的立面上。

上述方案中，所述反应室的底面上还固定有两列齿条，两列齿条之间通过约束板连接，所述石墨固体靶材固定在所述约束板上，每列所述齿条上均设有两个啮合齿板，所述石墨固体靶材位于四个啮合齿板的中部，所述第三旋转轴、所述第二旋转轴、所述第四旋转轴和所述第五旋转轴的两端对应安装在两列齿条的啮合齿板上。

上述方案中，所述反应室位于所述收集室内，所述收集室位于所述移动平台上，循环电泵的入水口与所述收集室的底部相连，循环电泵的出水口接入到所述反应室的中部。

上述方案中，所述循环电泵的出水管路上还设有储液箱和流量计。

上述方案中，所述第一旋转轴上设有第一电机，所述第六旋转轴上设有第二电机，所述第一电机、所述第二电机、所述循环电泵、所述移动平台、所述流量计均与数字控制器相连，所述数字控制器和所述脉冲激光装置与计算机相连接。

上述方案中，所述收集室与所述反应室之间设有四块磁铁，所述石墨固体靶材位于所述四块磁铁的中部。

本发明还提供了一种利用上述装置进行石墨烯制备的方法，包含以下步骤：a：设置反应装置：将石墨固体靶材置于反应室的中部，通过约束板固定，同时调整啮合齿板，使得第一铜箔和第二铜箔与石墨固体靶材的左右两侧的立面保持合适的距离，并将四块磁铁分别置于反应室与收集室的前后两侧，使得反应室左部磁场方向沿竖直方向由后到前，反应室右部磁场方向与之相反；b：注入去离子水，打开循环电泵，使得去离子水液面高度略高于石墨固体靶材，调整激光头位置，使得激光焦点分别位于石墨固体靶材左右立面低于液体表面处；c：通过数字控制器控制移动平台沿竖直方向进给运动，冲击到石墨固体靶材边缘后，移动平台沿垂直方向移动半个光斑距离，继续进行冲击，同时，第一电机和第二电机同时旋转规定的距离，待石墨固体靶材竖直方向进给完后，重复上述步骤；d：关闭所有装置，将铜箔取下，对铜箔上的石墨烯进行转移与提纯处理。

上述方案中，去离子水在循环电泵的作用下其循环流动速度为0.4～0.8ml/s；

上述方案中，所述脉冲激光装置（26）发出的第一激光束与第二激光束功率密度要高于10⁹w/cm²，方能达到石墨向石墨烯转变所需要的相变能量要求。

本发明的有益效果：（1）在于克服了制备效率低，装配操作困难，环境条件要求高的问题，实现了面积较大，层数比较均匀的石墨烯的制备。（2）利用高功率脉冲激光装置发出的激光经扩束镜扩束，然后再利用分光镜分光后的激光冲击石墨固体靶材的左右立面产生了比单光束冲击更多的等离子体，大大提高了石墨烯的制备效率和石墨固体靶材的利用率。（3）运动的等离子体在磁场中受到到的洛伦兹力以及循环流动的去离子水的作用，加速了等离子体区与铜箔的接触，促进了石墨烯在铜箔上的沉积。（4）支撑装置和约束装置可根据实验的需求进行位置调整，扩大了实验设备的使用范围，反应室外围设置有收集室，避免了飞溅液滴对实验平台的污染。（5）不仅可以用来提高石墨烯的制备效率，还可以通过调整分光镜来改变第一激光束与第二激光束的功率密度，来对比验证激光不同功率密度对制备石墨烯效率的影响，节省对比实验的时间。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2类齿条装置与支撑装置及约束装置啮合示意图。

图3激光扫描路径示意图。

图中：1.磁铁；2.约束板；3.入水口；4.第三旋转轴；5.第二铜箔；6.第二旋转轴；7.移动平台；8.收集室；9.反应室；10.第一电机；11.第一旋转轴；12.全反镜；13.第二旋转轴；14.激光加工头；15.聚焦透镜；16保护镜；17.第二激光束；18.石墨固体靶材；19.第一激光束；20.分光镜；21.第五旋转轴；22.第一铜箔；23.第六旋转轴；24.扩束镜；25.激光；26.脉冲激光装置；27.计算机；28.数字控制器；29.循环电泵；30.储液箱；31.流量计；32.出水口；33.第二电机；34.出水管；35.齿条；36.啮合齿板；37.第四旋转轴。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明提出的方法和装置工作情况，但不用来限制本发明。

本实施例采用的提高石墨烯制备效率的装置，如图1所示，包括激光发生系统和位于激光发生系统下的反应容器，反应容器由反应室9以及反应室9外侧的收集室8组成，所述反应室9底部设有两列齿条35，所述齿条35与啮合齿板36啮合连接，两列齿条35之间通过约束板2连接，所述反应室9正中间放有石墨固体靶材18，所述石墨固体靶材18左右立面与分光镜20和全反镜12之间分别设有激光加工头14，所述激光加工头14上依次设置聚焦透镜15和保护镜16。石墨固体靶材18通过约束板2固定在齿条35上，配合示意图如图2所示。所述啮合齿板36上对称设有沿竖直方向的第一旋转轴11、第二旋转轴13、第三旋转轴4、第四旋转轴37、第五旋转轴21及第六旋转轴23，第三旋转轴4和第四旋转轴37上分别绕有第一铜箔22和第二铜箔5，第一旋转轴11和第六旋转轴23通过绝缘轴套与第一电机10及第二电机33分别相连，所述第一旋转轴11及第六旋转轴23分别在所述第一电机10、第二电机33带动下不断地将铜箔卷绕于其上，所述第一铜箔22、第二铜箔5分别通过第五旋转轴21及第二旋转轴13改变运动方向，所述安装有铜箔的啮合齿板36可根据需要改变在齿条35上的啮合位置来调整与石墨固体靶材18的距离，所述收集室8与反应室9之间前后两侧设有磁铁1，用以提供稳定的磁场，运动的碳等离子体在磁场的作用下受到方向向上的洛伦兹力，从而调整等离子体的运动方向，使石墨烯尽可能沿水平方向与铜箔接触，从而使铜箔上沉积的石墨烯尽可能均匀。反应容器中装有去离子水，溶液深度略高于石墨固体靶材18的高度，所述反应室9与收集室8通过出水管34相连通。反应容器的上部有脉冲激光装置26，所述脉冲激光装置26和所述分光镜20之间设有扩束镜24，所述脉冲激光装置26发出的激光被扩束镜24扩大光斑直径并经过分光镜20反射和分光后产生第一激光束19和第二激光束17，所述第一激光束19通过聚焦透镜15冲击水中石墨固体靶材18的右立面，所述第二激光束17则通过聚焦透镜15冲击水中石墨固体靶材18的左立面。

反应容器的外部设置有循环电泵29，循环电泵29的入水口3与收集室8的底部相连，循环电泵29的出水口32接入到反应室9的中部。所述循环电泵29的出水管上还设有储液箱30和流量计31，第一电机10、第二电机33、循环电泵29、移动平台7、流量计31均与数字控制器28相连，所述数字控制器28及脉冲激光装置26与计算机27相连接

利用上述装置进行提高石墨烯制备效率的具体操作方法是：首先将纯度为99.99%的高定向热解石墨固体靶材18置于反应室9的中部，通过约束板2固定，同时啮合齿板36，使得第一铜箔22、第二铜箔5与石墨固体靶材18左右立面距离均为25mm，并将4块n52铷铁硼强力磁铁1分别对称置于反应室9与收集室8前后两侧。注入去离子水，打开循环电泵29，使得液面高度略高于石墨固体靶材18，去离子水在循环电泵29的作用下的循环流动速度为0.4～0.8ml/s。打开脉冲激光装置26，利用计算机27设置参数，激光波长1064nm，脉宽10ns，光斑直径1mm，激光能量0.6j，第一激光束与第二激光束功率密度均为3.82×10⁹w/cm²，激光冲击时间为75分钟，调整激光加工头14位置，使得激光焦点分别位于石墨固体靶材18左右立面低于液体表面20mm处。设定好激光扫描路径，扫描路径如图3所示，在时间上要保证每一个点进行10个脉冲冲击，然后移动到下一个点继续冲击，运动时间设定为0.1s,由于一个脉冲时间只有10ns非常短，为了计算方便，可以忽略在移动下一个冲击位置过程中产生的激光脉冲，因此竖直方向的移动速度设定为0.005m/s,当光斑扫描到边界位置，垂直方向以同样的速度移动到下一个冲击点，同时，第一电机10和第二电机33同时旋转4mm距离，重复上述步骤直到达到设定的冲击时间75min。关闭所有装置，将铜箔取下，进行后续石墨烯提纯与转移处理。