一种连续生产亚微米二维材料如石墨烯的方法技术

一种从固体悬浮液中连续分离亚微米厚度的层状固体颗粒，将悬浮液分离成亚微米厚度的颗粒部分悬浮液和残余颗粒部分悬浮液的系统和方法，所述方法包括以下步骤：提供连续的离心机装置；在固体悬浮液中提供亚微米厚度的层状固体颗粒的悬浮液；其中固体悬浮液包含液体连续相中的亚微米厚度固体颗粒；分离装置中的固体悬浮液。

A method for continuous production of sub micron two-dimensional materials such as graphene

A system and method for separating a layered solid particle of submicron thickness continuously from a solid suspension to separate a suspension liquid into a submicron thickness of a granular part suspension and a residual particle suspension. The method includes the following steps: providing a continuous centrifuge; providing submicron thickness in a solid suspension. The suspension of layered solid particles; solid suspension contains submicron thickness solid particles in the liquid continuous phase; solid suspension in the separation device.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种连续生产亚微米二维材料如石墨烯的方法得到此申请的项目已获得EuropeanUnion'sHorizon2020研究和创新计划的拨款，拨款号为646155。
本专利技术涉及一种用于产生原子级薄二维材料的分散体的方法，优选连续分离方法，优选厚度上至多100nm，最优选在一个原子厚至多达30层的范围内。特别地，本专利技术涉及用于按尺寸，包括按厚度(例如石墨烯、二硫化钼或氮化硼)分离二维材料以协助工业生产的可缩放连续方法。
技术介绍
石墨烯是碳的二维同素异形体，由几个原子厚度的六方结构组成。石墨是一种广泛使用的矿物质，它实际上是一种石墨烯的三维形式，通过范德华力将多层粘合在一起。石墨烯自2004年首次分离出来以来引起了很多人的关注。该材料的新型机械、热学和电学性能预计会实现多种用途，并且还有一个非常活跃的开发石墨烯应用的研究团体。实验室规模生产的石墨烯足以用于实验分析，但商业数量的生产仍然是一个发展中的领域。其他单层结构如二硫化钼或氮化硼预计会在纳米
表现出类似的有趣特性。MinYi和ZhigangShen(Areviewonmechanicalexfoliationforthescalableproductionofgraphene,JournalofMaterialsChemistry,A,2015,3,11700)提供了关于石墨烯生产的现有技术的概述。已经证明使用自顶向下技术以低成本大规模生产石墨烯是可能的，由此通过石墨在液相中的直接剥离来生产石墨烯。用于此的起始材料是三维石墨，其通过机械和/或化学方法分离以产生几个原子厚的石墨烯片。都柏林三一学院JonathanColeman教授团体在2008年通过石墨的超声波辅助液相剥离开发了石墨烯的生产路线。从分散在特定有机溶剂中的石墨粉开始，然后进行超声处理和离心，得到石墨烯分散体。这种生产石墨烯的方法似乎相对容易。该方法的主要缺点是极低的石墨烯浓度(约0.01mg/mL)，这与实际应用相差甚远。最近，基于流体动力学的方法已经出现石墨剥离。这些基于将粉末或薄片形式的石墨与流体混合以形成悬浮液。流体然后可能经受湍流或粘滞力，其对悬浮颗粒施加剪切应力。剪切应力从石墨中剥离石墨烯薄片，并且这些保持悬浮在流体中。通常流体是溶剂或必须从成品中除去的表面活性剂混合物。通常通过将台式或实验室离心机中的悬浮液离心45分钟或更长时间从流体中去除石墨烯薄片。较大的颗粒形成沉淀物，然后进一步处理上清液以从液体中提取所需的薄片。为了选择仅具有几个原子层厚度的石墨烯纳米薄片，该过程通常需要重复几次。美国专利申请20150283482描述了使用密度梯度超速离心(DGU)按厚度分选二维材料的方法。在一个实例中，二硫化钼以32krpm超速离心24小时。在DGU期间，二维纳米材料的浮力密度和周围介质的浮力密度的差异将二维纳米材料驱动至它们各自的等密点，其中特定纳米材料微晶的浮力密度与周围介质的浮力密度相匹配。国际专利申请WO2014001519提供了用于剥离三维分层材料以产生二维材料的方法，包括以2000rpm离心45分钟的步骤。在UmarKhan等2011年6月的“Sizeselectionofdispersed,exfoliatedgrapheneflakesbycontrolledcentrifugation”中，描述了离心剥离石墨悬浮液的方法。高速离心导致小片状物分散，但较大的片状物沉淀出来。这种沉积物可以收集和再分散。以较低的速率离心然后导致稍微较大的片状物的分散并且其余部分的排斥。重复该过程，多次导致将原始分散体分离成多个具有不同平均片长的馏分，在此情况下从约1μm至约3.5μm。石墨(石墨烯的多层结晶形式)的密度超过水的两倍，并且很容易从悬浮液中沉淀下来。然而，一旦石墨烯层被表面活性剂涂覆，在每个面上层与表面活性剂的组合降低了密度。对于单层石墨烯，密度接近1.1g/cc，仅比水高10％。对于每个额外的石墨烯层，密度增加。因为涂覆有表面活性剂的纳米薄片表现为胶体，所以颗粒可以保持悬浮几天或几周。离心可以用来从液体中分离出细小的悬浮固体。有各种类型的离心机。实验室离心机是明显的选择，因为可以仔细控制离心机流体性质，并且可以选择离心机的时间和旋转速度以获得期望的分离程度。分离速度还取决于颗粒尺寸，因为每个颗粒上的拖曳力取决于颗粒尺寸和它们悬浮在其中的流体的粘度。在恒定的加速力下，悬浮液中的每个颗粒达到一个最终速度，在该速度下，它通过流体迁移。由不同初始工艺生产的石墨烯将具有不同的薄片尺寸和不同的薄片厚度分布。离心可将石墨烯薄片分成不同厚度和/或不同尺寸的纳米薄片，但可能需要相当长的时间。例如在美国专利申请20150283482中，一些离心实例需要24小时才能完成，仅产生几毫升的浓缩悬浮液，这在许多情况下需要重复以获得最终产物。离心后，通常需要过滤步骤以从悬浮液中除去选定的纳米薄片，然后需要进一步的化学洗涤以除去表面活性剂和剩余的流体。虽然从石墨获得石墨烯受到特别关注，但还有许多其他层状材料可能会分层以提供纳米尺度的薄片。潜在的过程是在导致分层的剪切状态下粉碎颗粒状原料(通常为矿物矿石)之一。高剪切下发生三种基本机制。相关的参考文献是Ozcan-Taskin,N.G等，“Effectofparticletypeonthemechanismsofbreakupofnanoscaleparticleclusters”,ChemEngResDes(2009),10,1016。第一种机制是颗粒原料的侵蚀。第一种机制在转子-定子设备中很普遍，著名的SilversonTM混合器是一种类型。这种机制产生双峰粒度分布并且具有如下优点：由于颗粒之间物理性质的明显差异，加工产物可以更容易地分离成通常期望的纳米薄片和残留的颗粒状原料。第二种机制是粉碎，其中颗粒状原料完全分解成大量非常小的颗粒。这显然是最直接导致所需产品的最有效和最有益的机制。然而，目前这种类型的工艺目前还不适合大规模工业生产。迄今为止，第三种机制(破裂)尚不容易得到，但如共同未决专利申请GB1518105.0中所公开的，现在可通过在原料颗粒的高压下撞击冲击头而变得可用。这样的装置能够以工业规模操作，但所得产品是残留的颗粒原料的混合物，原料尺寸的整体部分的颗粒例如小部分纳米级颗粒中的一半，四分之一等。如果能够有效地分离来自使用第三种机制的装置的产品，则有机会实现纳米级颗粒的工业规模生产，因为可以在数千克规模上进行的过程(目前产量低)仍然会比高效率的克规模过程产生更高的产量。因此需要将纳米级颗粒从其他宽的粒度分布中分离出来。具体而言，需要从包含宽粒度分布的混合物中分离纳米级薄片。如上所述，尽管从石墨获得石墨烯受到特别关注，但还有许多其他层状材料。当研究剪切下的分层机制时，即使使用转子-定子技术，似乎上述第三种机制也可能在多种材料中普遍存在。因此特别需要一种工业规模的，优选连续的分离方法和装置，以从这种层状材料的宽粒度分布获得纳米级层状材料。相关材料包括过渡金属二硫属化物的层状形式；在这个意义上说，硫族化物是过渡金属如钨或钼的硫化物、硒化物或碲化物。同样相关的是结构相似的材料，例如氮化硼。另外，GB1518105.0中提到的工业规本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将含有亚微米厚度层状固体颗粒的固体悬浮液连续分离成亚微米厚度颗粒悬浮液和残余颗粒悬浮液的方法，所述方法包括以下步骤：提供连续的离心机装置；提供亚微米厚度层状固体颗粒的固体悬浮液；分离装置中的固体悬浮液；其中固体悬浮液包括液体连续相中的亚微米厚度层状固体颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.27 GB 1521001.61.一种将含有亚微米厚度层状固体颗粒的固体悬浮液连续分离成亚微米厚度颗粒悬浮液和残余颗粒悬浮液的方法，所述方法包括以下步骤：提供连续的离心机装置；提供亚微米厚度层状固体颗粒的固体悬浮液；分离装置中的固体悬浮液；其中固体悬浮液包括液体连续相中的亚微米厚度层状固体颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其中连续的离心机装置是盘堆离心机。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中亚微米级层状固体颗粒包括具有包含原子层薄层的晶体结构的材料的颗粒，所述薄层已经部分地分层成原子层薄的纳米薄片。4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中亚微米层状固体颗粒包括部分分层石墨、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钨或其他过渡金属二硫属化物的颗粒。5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中亚微米层状固体颗粒包括部分分层石墨或六方氮化硼的颗粒。6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中亚微米层状固体颗粒包括部分分层二硫化钼、二硒化钼、二碲化钼、二硫化钨和二硒化钨的颗粒。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中亚微米颗粒的粒度范围为1至100nm。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中悬...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·拉迪斯劳斯，L·格拉斯哥，
申请(专利权)人：托马仕雯有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB