堆叠的二维材料以及生产包含该材料的结构的方法技术

技术编号:14759817 阅读:543 留言:0更新日期:2017-03-03 08:41
公开了包含第一片具孔二维材料以及设置在第一片具孔二维材料的表面与结构基底的表面和第二片具孔二维材料的表面中的至少一个之间的第一多个间隔件的结构,以及相关方法。所述结构还可以包含结构基底、第二多个间隔件,与所述第一片具孔二维材料和/或所述第二片具孔二维材料和/或结构基底表面中的形貌特征直接接触的另外的具孔二维材料片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请基于35U.S.C.§119要求于2014年5月8日提交的美国临时专利申请第61/990,204号和第61/990,561号的优先权,其通过引用整体并入本文。关于联邦政府资助的研究和开发的声明不适用。
本公开总体上涉及石墨烯、基于石墨烯的材料和其他二维材料。更具体地,本公开涉及含有堆叠的具孔石墨烯、基于石墨烯的材料或其他二维材料的结构,以及用于生产堆叠的结构的方法。专利技术背景石墨烯代表着其中碳原子存在于规则的晶格位置的原子级薄的碳层。在许多应用中,希望在石墨烯基面安置多个孔洞、开口或类似的穿孔。这类孔洞在本文中也被等价地称为孔(pore)。其他二维材料可以含有类似的孔(perforation),并以与石墨烯类似的方式用于应用。术语“具孔(perforated)石墨烯”或“具孔二维材料”在本文用于指在基面具有孔洞的片,无论所述孔洞是如何引入的。这类孔洞可以存在于单层石墨烯和几层石墨烯(例如,少于10层石墨烯层但多于1层),以及存在于相互堆叠的多片单层石墨烯或几层石墨烯。虽然石墨烯和其他二维材料具有空前的机械强度,但仍然希望提供对二维材料的机械支承,以便支持许多常见的应用,例如过滤应用。在许多实例中,可以将石墨烯和其他二维材料置于光滑的结构基底上。结构基底可以通过分散位于其上的负载来减少高压的影响。然而,由于石墨烯的原子级薄度,当将石墨烯转移至基底时可对石墨烯造成损害。出现所述损害的形式可以为生成不希望的裂口或者石墨烯或其他二维材料中的其他缺陷。减少石墨烯损害(尤其是在操作条件下)的一个方式是使用具有非常光滑的表面拓扑学/形态学的结构基底。然而,保持高度孔隙度的光滑结构基底很少,并且二维材料片中的孔和基底中的孔之间的错位降低了整体渗透性。综上所述,提高包含二维材料和多孔支承基底的结构的渗透性的技术会具有巨大的益处。本公开满足了这一需求,并且也提供了相关的优点。专利技术概述本文公开的结构和方法可以用于过滤和分离应用,以便选择性地分离需要的和不需要的介质组分,例如,通过反渗透、纳滤、超滤、微滤、正向渗透或渗透蒸发分离。公开的结构有利地将具孔、原子级薄的二维材料用作提供高渗透性、强度和抗污垢的活性过滤膜或分离膜。另外,所述结构形成为堆叠的多层构造,其相比简单的、非堆叠的构造提供了诸多优点。例如,在一些堆叠的多层构造中,两片或更多片具有随机分布的选择性孔和非选择性孔的具孔二维材料重叠,以便片的表面相互直接接触。这种构造通过减小或消除可以被相邻的片覆盖或“贴补”的非选择性孔的影响而改善了结构的选择性。在一些实施方案中,在单一或堆叠的二维片之间或在单一或堆叠的二维片与支承基底之间提供了间隔件层,从而提供了通过间隔件层的选择性或非选择性的流路。这种构造通过使介质能够横流而提高了结构的渗透性。对于一些应用,由本结构实现的渗透性增大允许支承基底具有比待使用的特定应用所需的更低的孔隙度/渗透性。并且,在支承基底的表面上存在间隔件可以降低基底表面粗糙度,以便可以使用过于粗糙而无法接受二维材料的基底。因此,本结构可以为过滤器应用中适合的基底材料提供改进的选择性和/或扩展其范围。一方面,结构包含第一片具孔二维材料,和设置在第一片具孔二维材料的表面与结构基底的表面和第二片具孔二维材料的表面中的至少一个之间的第一多个间隔件。在一些其中第一多个间隔件设置在第一片具孔二维材料的表面与第二片具孔二维材料的表面之间的实施方案中,所述结构还包含设置在第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料的另外表面上的结构基底。在一些实施方案中,第一多个间隔件设置在第一片具孔二维材料的表面与第二片具孔二维材料的表面之间,并且第二多个间隔件设置在结构基底的表面与第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料的另外表面之间。在一些实施方案中,任何一个先前描述的结构可以包括与所述第一片具孔二维材料和/或所述第二片具孔二维材料直接接触的另外的一片或多片具孔二维材料。用于本结构和方法的适合的具孔二维材料包括但不限于那些来源于碳源的材料,以及基于氮化硼、硅、锗的材料,和与诸如氧、硫、硒和碲的硫属元素结合的过渡金属。在一个实施方案中,第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料包含石墨烯或基于石墨烯的膜、过渡金属二硫属元素化物、α-氮化硼、硅烯、锗烯、锗烷、MXene(例如,M2X、M3X2、M4X3,其中M为诸如Sc、Ti、V、Zr、Cr、Nb、Mo、Hf和Ta的前过渡金属,并且X为碳和/或氮),或其组合。(参见,Xu等人(2013),“Graphene-likeTwo-DimensionalMaterials”ChemicalReviews113:3766-3798;Zhao等人(2014)“Two-DimensionalMaterialMembranes”,Small,10(22),4521-4542;Butler等人(2013)“Progress,Challenges,andOpportunitiesinTwo-DimensionalMaterialsBeyondGraphene”,MaterialsReview,7(4)2898-2926;Chhowalla等人(2013)“Thechemistryoftwo-dimensionallayeredtransitionmetaldichalcogenidenanosheets”,NatureChemistry,vol.5,263-275;以及Koski和Cui(2013)“TheNewSkinnyinTwo-DimensionalNanomaterials”,ACSNano,7(5)3739-3743,其通过引用作为公开的二维材料并入本文)。在一个实施方案中,第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料具有小于或等于400nm、或小于或等于200nm、或小于或等于100nm的平均孔尺寸。在一个实施方案中,第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料具有选自4000埃至3埃、或2000埃至1000埃、或1000埃至500埃、或500埃至100埃、或100埃至5埃、或25埃至5埃、或5埃至3埃的平均孔尺寸。在一个实施方案中,根据待分离的分子来选择孔尺寸。在一个实施方案中,第一片二维材料具有第一平均孔尺寸,并且第二片二维材料具有第二平均孔尺寸,其中第一平均孔尺寸与第二平均孔尺寸不同。在一个实施方案中,具有较小平均孔尺寸的第一片在具有较大平均孔尺寸的第二片的上游(更接近进料)。在一个实施方案中,第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料包含随机分布的孔。在一个实施方案中,第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料的孔在孔的边缘(peripheries)被化学官能化。在一些实施方案中,本文公开的结构包含促进二维片之间和/或二维片与支承基底之间的横流的间隔件。例如,间隔件可以是以不连续的质量散布在表面的微粒或离散单元。在一个实施方案中,间隔件被随机地定向和定位。在一些实施方案中,间隔件层具有选自5埃至10000埃、或1000埃至5000埃、或100埃至500埃、或5埃至100埃、或5埃至25埃、或4埃至8埃的厚度。在一个实施方案中,间隔件层具有基本均匀的厚度。例如,间隔件的均匀分布可以通过诸如喷涂或旋涂的溶液本文档来自技高网...
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【技术保护点】
结构,其包含第一片具孔二维材料和设置在所述第一片具孔二维材料的表面与结构基底的表面和第二片具孔二维材料的表面中的至少一个之间的第一多个间隔件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.08 US 61/990,204;2014.05.08 US 61/990,5611.结构,其包含第一片具孔二维材料和设置在所述第一片具孔二维材料的表面与结构基底的表面和第二片具孔二维材料的表面中的至少一个之间的第一多个间隔件。2.如权利要求1所述的结构,其中所述第一多个间隔件设置在所述第一片具孔二维材料的所述表面与所述第二片具孔二维材料的所述表面之间,所述结构还包含设置在所述第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料的另外表面上的结构基底。3.如权利要求2所述的结构,其中所述第一多个间隔件设置在所述第一片具孔二维材料的所述表面与所述第二片具孔二维材料的所述表面之间,并且第二多个间隔件设置在所述结构基底的所述表面与所述第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料的所述另外表面之间。4.如前述权利要求中任一项所述的结构,其还包含与所述第一片具孔二维材料和/或所述第二片具孔二维材料直接接触的另外的一片或多片具孔二维材料。5.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料包含石墨烯或基于石墨烯的膜、过渡金属二硫属元素化物、α-氮化硼、硅烯、锗烯、MXene或其组合。6.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料具有小于或等于4000埃的平均孔尺寸。7.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料包含随机分布的孔。8.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述第一片具孔二维材料或第二片具孔二维材料的孔在所述孔的边缘被化学官能化。9.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件随机地定向和定位。10.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件层具有选自5埃至10000埃的厚度。11.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件层具有基本均匀的厚度。12.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件层具有不均匀的厚度。13.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件具有0.5nm至200nm的平均尺寸。14.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件的平均面密度为每μm22000至每μm21。15.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件附着于第一片具孔二维材料和/或第二片具孔二维材料。16.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件包含纳米颗粒、纳米管、纳米纤维、纳米棒、纳米结构或其组合。17.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米结构、富勒烯、碳纳米角及其组合。18.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述间隔件层具有小于或等于50nm的平均表面粗糙度。19.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述结构基底包含多孔聚合物或多孔陶瓷。20.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述结构基底具有小于或等于500μm的厚度。21.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述结构基底具有1μm至500μm的厚度。22.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述结构基底具有大于或等于3%的孔隙度。23.如前述权利要求中任一项所述的结构,其中所述结构基底具有3%至75%的孔隙度。24.如前述权利要求中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:肖恩·P·弗菜明彼得·V·拜德沃斯小大卫·F·凯西斯科特·E·海斯马修·M·卡普兰齐克史蒂文·W·西恩特兰德尔·M·斯蒂尔伯格雅各布·L·斯维特大卫·B·图罗夫斯基刘晗
申请(专利权)人:洛克希德马丁公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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