具有规则埃级孔的石墨烯膜制造技术

本发明专利技术主要描述了关于穿孔石墨烯单层及含有穿孔石墨烯单层的膜的技术方案。本发明专利技术的示例性膜可以包括下述石墨烯单层，所述石墨烯单层具有多个不连续孔，所述多个不连续孔化学穿孔于石墨烯单层中。不连续孔可以具有基本均一的孔径。该孔径的特征在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷。石墨烯单层各处可以具有基本均一的孔径。在一些实例中，膜可以包括可渗透性基板，所述基板与石墨烯单层接触并且可以支持石墨烯单层。与气体分离用常规聚合膜相比，这种穿孔石墨烯单层和包含这种穿孔石墨烯单层的膜可以表现出改进的性质，例如更高的选择性或更高的气体透过率等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术主要描述了关于穿孔石墨烯单层及含有穿孔石墨烯单层的膜的技术方案。本专利技术的示例性膜可以包括下述石墨烯单层，所述石墨烯单层具有多个不连续孔，所述多个不连续孔化学穿孔于石墨烯单层中。不连续孔可以具有基本均一的孔径。该孔径的特征在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷。石墨烯单层各处可以具有基本均一的孔径。在一些实例中，膜可以包括可渗透性基板，所述基板与石墨烯单层接触并且可以支持石墨烯单层。与气体分离用常规聚合膜相比，这种穿孔石墨烯单层和包含这种穿孔石墨烯单层的膜可以表现出改进的性质，例如更高的选择性或更高的气体透过率等。【专利说明】具有规则埃级孔的石墨烯膜
技术介绍
除非本文中另外指出，否则本节中所描述的材料并不构成本申请中权利要求的现有技术，并且不因包含于本节中而认为其是现有技术。 多孔石墨烯被认为是理想的气体分离用膜。理论和实验研究表明，石墨烯晶格中的原子级孔穴可以提供显著的基于分子尺寸分离气体的选择性。此外，一个原子厚的单层石墨烯是理想的备选物，因为通过膜的气体透过率随膜厚的降低而升高。 因此，例如在分离高温合成的气体时，多孔石墨烯膜因其显著优于常规聚合膜的潜力而正得到关注。例如，用于产生氢(由水产生)和二氧化碳的“变换反应(shiftreact1n) ”可以在高于400°C的温度进行。由于目前不存在在远低于如此高的温度下以单一操作有效纯化氢的膜，因此当前的氢纯化可能包括资金和能量密集型操作，如冷却以及除水、二氧化碳和其他杂质等。 具有均一尺寸孔的石墨烯膜可以以单一操作有效地纯化来自“变换反应”的氢。不过，虽然多孔石墨烯在小规模学术研究中已显示了引人关注的性能，但是当前的制备方法尚不能制备具有均一尺寸孔的石墨烯膜。已知的多孔石墨烯实例已采用物理法产生，例如用电子或离子束破坏石墨烯表面，然后使缺陷氧化膨胀而产生孔。这种方法已经产生了带孔的多孔石墨烯膜，所述孔在整个膜上的尺寸和面密度显著不同。 本专利技术意识到，例如用于分离膜的多孔石墨烯的制备可能是一项复杂的任务。
技术实现思路
下述
技术实现思路
只是示例性的，绝不以任何方式意在进行限制。除所述说明性方面、实施方式和特征之外，通过参照附图和下述【具体实施方式】，其他方面、实施方式和特征也将显而易见。 本专利技术主要描述了穿孔石墨烯单层，和包括穿孔石墨烯单层的膜。示例性膜可以包括具有多个不连续孔的石墨烯单层，所述不连续孔化学穿孔于石墨烯单层中。所述多个不连续孔各自可以具有基本均一的孔径，所述多个不连续孔各自的特征在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位，从而使石墨烯单层各处可以具有基本均一的孔径。 本专利技术还主要描述了在石墨烯单层中形成多个不连续孔的示例性方法。一个示例性方法可以包括使由R-Het*表示的化合物与石墨烯单层的多个位置接触。Het*可以是氮烯或活化氧(activated oxy)。R 可以是-Ra、_S02Ra、-(CO) ORa 或-SiRaRbRc 之一。Ra、Rb 和Re可以独立地为芳基或杂芳基。一些示例性方法也可以包括在所述多个位置中的相邻位置之间设置至少rK的间隔距离，其中rK可以是R的最小空间半径。不同的示例性方法也可以包括使由R-Het*表示的化合物与所述多个位置的每一处的至少一个石墨烯碳原子Cg反应，以在由p石墨烯表示的石墨烯单层中形成多个(P个)杂原子-碳部分。所述方法还可以包括通过除去多个由R-Het-Cg表示的杂原子-碳部分而在石墨烯单层中形成多个不连续孔。所述多个不连续孔的特征可以在于石墨烯单层中的多个碳空位缺陷，所述多个碳空位缺陷通过从所述多个位置除去石墨烯碳原子Cg而界定出。石墨烯单层各处可以具有基本均一的孔径。 本专利技术还主要描述了从流体混合物中分离化合物的方法。一个示例性方法可以包括提供含有第一化合物和第二化合物的流体混合物。一些示例性方法也可以包括提供包含石墨烯单层的膜，所述石墨烯单层可以经化学穿孔有多个不连续孔。多个不连续孔各自的特征可以在于为一个或多个碳空位缺陷，从而使石墨烯单层各处具有基本均一的孔径。多个不连续孔各自的特征可以在于下述直径，所述直径可以具有使第一化合物而非第二化合物通过的选择性。不同的示例性方法也可以包括使流体混合物与石墨烯单层的第一表面接触。示例性方法可以还包括将第一化合物导引通过所述多个不连续孔，以将第一化合物与第二化合物分离。 本专利技术还主要描述了示例性膜。示例性膜可以通过下述工序制备，所述工序包括使由R-Het*表示的化合物与石墨烯单层的多个位置接触。Het*可以是氮烯或活化氧。R可以是-Ra、-S02Ra、_ (CO) ORa或-SiRaRbRe之一。Ra、Rb和R。可以独立地为芳基或杂芳基。一些示例性膜可以通过下述工序制备，所述工序还包括在所述多个位置中的相邻位置之间提供至少rK的间隔距离，其中可以是R的最小空间半径。示例性膜可以通过下述工序制备，所述工序还包括使由R-Het*表示的化合物与在所述多个位置的每一处的至少一个石墨烯碳原子Cg反应，以在由p石墨烯表示的石墨烯单层形成多个(P个)杂原子-碳部分。示例性膜可以通过下述工序制备，所述工序还包括通过除去多个由R-Het-Cg表示的杂原子-碳部分而在石墨烯单层中形成多个不连续孔。多个不连续孔的特征可以在于石墨烯单层中的多个碳空位缺陷，所述多个碳空位缺陷通过从所述多个位置除去石墨烯碳原子Cg而界定出。石墨烯单层各处可以具有基本均一的孔径。 本专利技术还主要描述了用于制备具有基本均一的孔的石墨烯膜的系统。该系统可以包括:试剂活化器，其用于由前体试剂制备活化试剂；试剂施加器，其被构造为使活化试剂与石墨烯单层的多个位置接触；反应室，其被构造为保持石墨烯单层；加热器，其被构造为使石墨烯单层的多个杂原子-碳部分热断裂从而形成穿孔石墨烯单层；和支持基板施加器，其被构造为使穿孔石墨烯单层与支持基板接触。 【专利附图】【附图说明】 参照附图并借由以下描述和所附权利要求，本专利技术的上述和其他特征将变得更充分明显。应理解这些附图描绘的仅是本专利技术的几个实施方式因而不能认为其限制本专利技术，且本专利技术将因利用附图而描述得更加具体而详细，其中: 图1A是示例性石墨烯单层的概念图，其说明了碳原子的六方晶格和石墨烯的芳族键特征； 图1B是示例性石墨烯单层的概念图，其显示了拟从多个位置除去的一个石墨烯碳原子； 图1C是示例性穿孔石墨烯单层的概念图，所述石墨烯单层包含多个不连续孔，所述不连续孔可以具有基本均一的孔径，其特征在于各孔处的一个碳空位缺陷； 图1D是示例性石墨烯单层的概念图，其显示了拟从多个位置的每一处除去的石墨烯碳原子； 图1E是示例性穿孔石墨烯单层的概念图，所述石墨烯单层包含多个不连续孔，所述不连续孔可以具有基本均一的孔径，其特征在于各孔处的两个碳空位缺陷； 图2A是示例性膜的侧视概念图，所述示例性膜包括与可渗透性基板接触的示例性穿孔石墨烯单层； 图2B是示例性膜的侧视概念图，其说明了分离两种化合物的流体混合物的方法； 图3A是显示在石墨烯单层中形成多个不连续孔的方法的概念图，其包括相邻试剂之间的空间相互作用； 图3B是显示附加操作的概念图，所述附加操作可以包括于在石墨烯单层中形成多个不连续孔的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜，所述膜包括：石墨烯单层，所述石墨烯单层包含多个不连续孔，所述多个不连续孔化学穿孔于石墨烯单层中，所述多个不连续孔各自具有基本均一的孔径，所述多个不连续孔各自的特征在于所述石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷，使得所述石墨烯单层各处具有基本均一的孔径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：S·A·米勒，G·L·迪尔克森，
申请(专利权)人：英派尔科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US