用于制備石墨烯/碳納米管材料的電化學(xué)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電化學(xué)裝置，尤其是涉及一種用于制備石墨烯/碳納米管材料的電化學(xué)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維碳材料，它是一種管狀碳分子，管上每個(gè)碳原子采取SP2雜化，相互之間以碳-碳鍵結(jié)合起來(lái)，形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。碳納米管的長(zhǎng)徑比一般在1000:1以上。由于它具有理想的一維結(jié)構(gòu)決定了其具有特殊的性質(zhì)，例如，優(yōu)良力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)。石墨烯是由單層Sp2雜化碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維平面晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯具有大的比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，可用于效應(yīng)晶體管、電極材料、復(fù)合材料、液晶顯示材料、傳感器等。然而，在使用中碳納米管往往會(huì)相互之間無(wú)規(guī)則糾纏，無(wú)法均勻分散，同時(shí)比表面積相對(duì)較小，限制了其研究應(yīng)用。雖然，石墨烯具有極高的理論比表面積和優(yōu)異的性能，但由于范德華力的作用容易形成宏觀聚集體，石墨烯片層之間互相雜亂堆疊分布，導(dǎo)致有效比表面積減少，性能降低。因此，結(jié)合碳納米管、石墨烯的優(yōu)異性能及性能和結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，兩者可共同用于復(fù)合材料。
[0003]石墨烯和碳納米管進(jìn)行復(fù)合時(shí)，石墨烯可以為碳納米管提供支撐的平臺(tái)及有利于CNTs電子傳輸?shù)耐ǖ溃技{米管不僅可以減少石墨烯層的堆垛，增加材料的比表面積，碳納米管的網(wǎng)絡(luò)還可以起到連接石墨烯的效果。通過(guò)兩者之間的協(xié)同作用，使復(fù)合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能?；谝陨闲再|(zhì)，使得石墨烯、碳納米管復(fù)合材料在超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池、顯示器、燃料電池等方面有著良好的應(yīng)用前景。
[0004]目前，石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積(CVD)法、逐層沉積法、真空抽濾法、涂制成膜法、電泳沉積法。CVD法存在對(duì)制備條件要求苛刻，能耗高的不足。而上述其他方法，制備均勻分散的復(fù)合材料，都需要解決石墨烯和碳納米管的分散問題。例如，Yu等使用聚亞胺修飾水合肼還原的石墨烯，使其在水中帶正電與帶有羧基的多壁管逐層組裝成復(fù)合薄膜(Yu, D.S.；Dai, L.M.J.phys.chem.lett.2009, I, 467)。但是分散在有機(jī)溶劑內(nèi)存在分散均勻性差及溶劑存在毒性等問題，如果加入表面活性劑的加入會(huì)影響復(fù)合材料的性能。Lu等為解決分散問題，采用先復(fù)合后還原的方法。利用氧化石墨烯的親水性，將氧化石墨烯/碳納米管抽濾成膜，再通入肼蒸汽進(jìn)行還原。但是，傳統(tǒng)的還原過(guò)程(化學(xué)還原、熱還原)存在還原條件要求高或者污染樣品及環(huán)境等問題(Lu，X.J.;Douj H.;Gao，B.;Yuan，C.Z.；Yang.S.D.;Hao，L.；Shen.L.F.；Zhang, X.G.Electrochem.Acta 2011，56，5115)。Bon等使用帶羧基的碳納米管和有殘氧基的石墨烯分散在N-甲基吡絡(luò)烷酮中。通過(guò)施加IV或者5V的電壓，將材料沉積到ITO電極上(Bon，S.B.;Valentini, L.；Kenny, J.M.；Peponi, L.；Verde jo, R.；Lopez-Manchado, M.A.Phys.StatusSolidi A 2010，207，2461)。電沉積過(guò)程只是將帶電石墨烯和碳納米管粒子在電極上沉積成膜。
[0005]然而，最新提出的氧化石墨烯的表面活性研究以及電化學(xué)還原法，為解決上述問題提供了新的思路。氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)主要由氧化區(qū)域(親水區(qū))和未氧化區(qū)域(疏水區(qū))兩部分組成，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得其可作為表面活性劑使用，解決了碳納米管的分散問題，同時(shí)，通過(guò)電化學(xué)還原氧化石墨烯得到碳納米管/石墨烯復(fù)合材料，克服了其它還原方法的不足，得到了石墨烯/碳納米管層狀定向排列結(jié)構(gòu)，這也為實(shí)現(xiàn)石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的綠色、有效和規(guī)?；苽涮峁┝诵碌目赡堋?br>[0006]但是，電化學(xué)還原法的具體實(shí)施，有不同的做法，而且還會(huì)受到多種因素的影響?，F(xiàn)有的用于制備石墨烯的電化學(xué)還原裝置，大都操作復(fù)雜，不能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)各種反應(yīng)影響參數(shù)的控制。因此，設(shè)計(jì)有效的石墨烯/碳納米管材料制備裝置對(duì)石墨烯和碳納米管的研究與工業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種高效、可便捷調(diào)控反應(yīng)參數(shù)的用于制備石墨烯/碳納米管材料的電化學(xué)裝置。
[0008]本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0009]用于制備石墨烯/碳納米管材料的電化學(xué)裝置，該裝置包括信號(hào)發(fā)生器、將信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的電信號(hào)進(jìn)行放大的功率放大器、用于檢測(cè)功率放大器輸出電信號(hào)的示波器、盛有氧化石墨/碳納米管懸浮液的反應(yīng)槽以及插設(shè)在氧化石墨/碳納米管懸浮液中的第一電極與第二電極，并且所述的第一電極與第二電極分別與功率放大器的輸出端電連接，所述的裝置還包括控制器、與控制器電連接的第一驅(qū)動(dòng)氣缸及第二驅(qū)動(dòng)氣缸，所述的第一電極與第二電極分別與第一驅(qū)動(dòng)氣缸、第二驅(qū)動(dòng)氣缸傳動(dòng)連接，所述的控制器控制第一驅(qū)動(dòng)氣缸、第二驅(qū)動(dòng)氣缸分別帶動(dòng)第一電極、第二電極相對(duì)滑動(dòng)，調(diào)節(jié)第一電極與第二電極之間的相對(duì)距離。
[0010]所述的第一驅(qū)動(dòng)氣缸與第二驅(qū)動(dòng)氣缸分別通過(guò)支撐架相對(duì)設(shè)置在反應(yīng)槽兩側(cè)。
[0011]所述的第一電極通過(guò)第一連接板與第一驅(qū)動(dòng)氣缸的動(dòng)力輸出端固定連接，所述的第二電極通過(guò)第二連接板與第二驅(qū)動(dòng)氣缸的動(dòng)力輸出端固定連接。
[0012]所述的反應(yīng)槽為上方敞口的長(zhǎng)方體反應(yīng)槽，該長(zhǎng)方體反應(yīng)槽的槽壁厚度為8-10mmo
[0013]所述的長(zhǎng)方體反應(yīng)槽的材質(zhì)為有機(jī)玻璃。
[0014]所述的第一電極與第二電極的形狀為板狀或棒狀。
[0015]所述的第一電極與第二電極之間的相對(duì)距離為5-200mm。
[0016]本實(shí)用新型中，所述的信號(hào)發(fā)生器的型號(hào)為DG1022，產(chǎn)生脈沖波頻率的變化范圍在0.5-50MHZ，主要用來(lái)輸出信號(hào)并把信號(hào)輸入到功率放大器中。
[0017]所述的功率放大器的型號(hào)為HVP-300A，其調(diào)壓范圍為30-70V，主要用來(lái)輸出放大后的電信號(hào)，將電壓加載到氧化石墨/碳納米管懸浮液兩端的第一電極與第二電極上。
[0018]所述的示波器的型號(hào)為DS1052E，用來(lái)觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化。
[0019]所述的第一電極與第二電極可以選自銅片、鉛片、石墨片或?qū)щ奍TO玻璃中的一種。
[0020]本實(shí)用新型裝置可便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)影響電化學(xué)法制備石墨烯/碳納米管材料的各種因素的大范圍調(diào)節(jié)及精確控制，包括電極種類、電極間距、還原電壓、電壓方向、還原時(shí)間等，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、有效制備石墨烯/碳納米管材料。
[0021]使用本實(shí)用新型裝置制備石墨烯/碳納米管材料時(shí)，首先信號(hào)發(fā)生器連接功率放大器，功率放大器連接第一電極與第二電極，其中，功率放大器同時(shí)與檢測(cè)電信號(hào)頻率和波形的示波器連接，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器對(duì)氧化石墨/碳納米管懸浮液施加脈沖電壓；向反應(yīng)槽內(nèi)加入適量氧化石墨烯/碳納米管懸浮液，根據(jù)實(shí)際反應(yīng)條件，選擇電壓、脈沖頻率以及示波信號(hào)。接通電源，進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中，可通過(guò)控制器來(lái)控制第一驅(qū)動(dòng)氣缸、第二驅(qū)動(dòng)氣缸分別帶動(dòng)第一電極、第二電極相對(duì)滑動(dòng)，以此來(lái)調(diào)節(jié)第一電極與第二電極之間的相對(duì)距離，保證電化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行；待反應(yīng)結(jié)束后，將電極取出，并進(jìn)行底部加熱，即可得到石墨烯/碳納米管膜材料，隨后對(duì)反應(yīng)槽和電極進(jìn)行簡(jiǎn)單清洗后即可進(jìn)行下次使用。
[0022]氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)是單原子層的碳網(wǎng)平面及邊緣上帶有-C00H、-OH和-C_0_C等含氧官能團(tuán)，主要由氧化區(qū)域(親水區(qū))和未氧化區(qū)域(疏水區(qū))兩部分組成，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得其可作為表面活性劑使用。因此，當(dāng)碳納米管加入到于氧化石墨烯溶液中時(shí)，碳納米管可與氧化石墨烯的疏水部分產(chǎn)生粘附，使得碳納米管不再相互纏結(jié)，均勻的分散于溶液中。
[0023]本實(shí)用新型裝置工作原理為:氧化石墨烯粒子在水溶液中由于化學(xué)基團(tuán)電離而帶負(fù)電荷，碳納米管粘附于氧化石墨烯片層上，在兩端施加正負(fù)脈沖電信號(hào)，該電信號(hào)不斷交替加載，即第一電極與第二電極的正負(fù)性交替變換，當(dāng)電極顯正電性時(shí)，粒子向該電極移動(dòng)，當(dāng)電極顯負(fù)電性時(shí)，已經(jīng)移動(dòng)到該電極上被吸附的粒子被還原，在此過(guò)程中，可以通過(guò)改變電壓、占空比、頻率來(lái)控制電極上被吸附的粒子的數(shù)量，當(dāng)被吸附的粒子達(dá)到一定的范圍時(shí)，即可在電極上形成石墨烯/碳納米管膜。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn):
[0025]I)結(jié)合使用控制器、第一驅(qū)動(dòng)氣缸及第二驅(qū)動(dòng)氣缸，能夠?qū)Φ谝浑姌O與第二電極的相對(duì)距離進(jìn)行調(diào)控，可適用于反應(yīng)條件，且易于操控；
[0026]2)搭建成本低廉，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全、可靠、環(huán)保，同時(shí)可大范圍調(diào)控實(shí)驗(yàn)所需各反應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽涫?碳納米管材料的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為本實(shí)用新型裝置中反應(yīng)槽結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3為實(shí)施例1制備所得石墨烯/碳納米管材料的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖；
[0030]圖4為實(shí)施例1制備所得石墨烯/碳納米管材料的傅里葉紅外表征圖；
[0031]圖5為實(shí)