卤化石墨烯纳米片和其生产和用途制造技术

本文描述了卤化石墨烯纳米片，所述卤化石墨烯纳米片的特征在于除了形成所述纳米片的石墨烯层的周边的碳原子以外具有(i)除sp2碳以外不含任一元素或组分的石墨烯层，和(ii)基本上无缺陷的石墨烯层；所述纳米片中的卤素的总含量为约5wt％或更少，所述卤素的总含量是以溴计算并且基于所述纳米片的总重量。本文还描述了用于生产此类纳米片的方法和此类纳米片的各种最终用途。本文还提供了具有约5wt％或更少的卤素总含量的卤化剥落型石墨和用于生产所述卤化剥落型石墨的方法，所述卤素总含量是以溴计算并且基于所述卤化剥落型石墨的总重量。

Graphene halide nanoscale and its production and use

This paper describes the halogenated graphene nanosheets, characteristics of the halogen graphene nanosheets is formed around the graphene layer except the nano sheet of carbon atoms (I) with graphene layers except the SP2 does not contain any elements other than carbon or components, and (II) graphene layer basically no defect; the total content of the nano film halogen is about 5wt% or less, the total content of the halogen is calculated with bromine and the total weight of the nano film based on. This article also describes the methods for the production of such nanoscale and the various end uses of such nanoscale. A halogenated exfoliated graphite with a total content of about 5wt% or less and a method for producing the halogenated exfoliated graphite are also provided. The total content of halogen is calculated by bromine and the total weight of the graphite is based on the halogenated exfoliated graphite.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】卤化石墨烯纳米片和其生产和用途
本专利技术涉及具有优异特征的新型卤化石墨烯纳米片，涉及用于制备卤化石墨烯纳米片的新型工艺技术，并且涉及此类卤化石墨烯纳米片非常适合的应用。背景石墨烯纳米片是由具有薄片形状的石墨烯层组成的纳米粒子。石墨烯纳米片被认为是用于类似应用中的碳纳米管的期望替代物。现有技术中已知有两种生产石墨烯纳米片的主要方法，即“自下而上”和“自上而下”。自下而上的方法是利用诸如化学气相沉积等方法一次一个原子或一层地构建石墨烯纳米薄片，这是耗时且昂贵的。另一种自上而下的方法是从天然石墨或合成石墨开始，使用各种工艺将许多叠层分离成少层或一层颗粒。已知一些常见的技术，包含剥离(“透明胶带”)、液相剥落以及嵌入/剥落。嵌入/剥落是一种将物质嵌入石墨中并从石墨中蒸发或分解所述物质的逐步式工艺，其使石墨层膨胀、分离并剥落，从而形成薄片。本领域已采用多种物质来嵌入石墨。尽管市面有售几种类型的石墨烯纳米片，但期望具有更好性质以及优异性能的石墨烯纳米片。认为本专利技术可满足这种期望。专利技术概要本专利技术提供卤化石墨烯纳米片，所述卤化石墨烯纳米片的特征在于除了形成纳米片的石墨烯层的周边的碳原子以外具有(i)除sp2碳以外不含任一元素或组分的石墨烯层，和(ii)基本上无缺陷的石墨烯层；所述纳米片中的卤素的总含量为约5wt％或更少，所述卤素总含量是以溴计算并且基于所述纳米片的总重量。本专利技术还提供卤化剥落型石墨；剥落型石墨中的卤素的总含量为约5wt％或更少，所述卤素的总含量是以溴计算并且基于所述卤化剥落型石墨的总重量。在优选实施方案中，卤化石墨烯纳米片是在纳米片的石墨烯层的周边具有化学结合的卤素的卤化石墨烯纳米片。在另一优选实施方案中，卤化石墨烯纳米片是在纳米片的石墨烯层的周边具有化学结合的溴的溴化石墨烯纳米片。上文卤化石墨烯纳米片还具有高纯度并且具有极少或没有可检测到的化学结合的氧的杂质。因此，可根据本专利技术获得的卤化石墨烯纳米片符合“原始”的描述或分类。另外，本专利技术的卤化石墨烯纳米片实际上不含任何结构缺陷。这可能至少部分地归因于本专利技术的卤化石墨烯纳米片的sp2石墨烯层的显著均匀性和结构完整性。与市售含有卤素的石墨烯纳米片相比，这些纳米片的其他有利特性是优异的导电性和优异的物理性质。此外，在合成本专利技术卤化石墨烯纳米片期间既不需要溶剂，也不需要形成形成本专利技术卤化石墨烯纳米片所需要的石墨氧化物的中间步骤。本专利技术还提供了新型合成工艺技术。因此，在本专利技术工艺实施方案中的一个中，本专利技术提供用于生产卤化石墨烯薄片的连续工艺。有利地，本文所描述的用于生产卤化石墨烯纳米片的工艺技术是可重现的，并且被认为能在商业规模上实施。因此，本专利技术在其实施方案中的一个中提供用于制备卤化石墨烯纳米片的工艺，所述卤化石墨烯纳米片除了形成纳米片的石墨烯层的周边的碳原子以外除sp2碳以外不含任一元素或组分。就目前所知，这是第一次通过任何工艺形成此类卤化纳米片。据信缺陷的不存在至少部分地归因于本专利技术的卤化纳米片的高纯度，所述卤化纳米片除了其制备中所用的卤素以外基本上不含任何氧或其他元素。在这些卤化石墨烯纳米片中，优选纳米片是溴化石墨烯纳米片，也就是，已使用元素溴(Br2)作为卤素来源形成的纳米片。如在下文将会看出，获得两层溴化石墨烯纳米片并且发现其除了形成石墨烯层的周边的碳原子以外仅有或差不多仅有sp2碳。与市售纳米片相比，这些两层溴化石墨烯纳米片展现更好的导电性、更好的物理性质和其他高度合意的特征。从随后的描述、附图和随附权利要求书将再进一步明了本专利技术的这些和其他实施方案和特性。附图简述图1是本专利技术溴化石墨烯纳米片的一部分的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像。图2是一系列在本专利技术工艺中形成的溴嵌入型石墨的一组x射线粉末衍射图案和石墨的x射线粉末衍射图案。图3是本专利技术的两层溴化石墨烯纳米片的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像。图4A是分散于水中的在本专利技术工艺中形成的溴化剥落型石墨的相片。图4B是水表面上的石墨的相片。图5是在本专利技术工艺中生产的溴化剥落型石墨在氮中的热重分析(TGA)结果和天然石墨的比较结果的图形。图6是在本专利技术工艺中生产的溴化石墨烯纳米片在空气中的热重分析(TGA)结果和石墨起始材料的比较结果的图形。本专利技术的进一步详述如本领域已知，且如本文件通篇使用，术语“嵌入”意指在石墨层之间置入物质。术语“嵌入剂”在整个本文件中可互换使用。如本文件通篇使用，且如本领域已知，术语“剥落”意指去除石墨层之间的物质，和增加石墨层的分离。“原始或近似原始”意味着没有可观察到的损害，或者如果存在任何对石墨烯层的损害(如通过高分辨率透射电子显微术(TEM)或原子力显微术(AFM)所展示)，那么此类损害可忽略不计，也就是其无足轻重，不值得考虑。举例来说，任何此类损害对卤化石墨烯纳米片的纳米电子性质都没有可观察到的有害效应。通常，卤化石墨烯纳米片中的任何损害都源于存在于制备卤化石墨烯纳米片的石墨中的损害；来自石墨起始材料的任何损害和/或杂质都留在产物卤化石墨烯纳米片中。在本专利技术的实践中，嵌入剂是二原子卤素分子。如本文件通篇使用的术语“二原子卤素分子”和“二原子卤素”包含元素卤素化合物和二原子卤素间化合物。在整个本文件中，Br2有时称作“元素溴”且F2有时称作“元素氟”。用于形成本专利技术的卤化石墨烯纳米片的二原子卤素分子通常包含元素溴(Br2)、元素氟(F2)、一氯化碘(IC1)、一溴化碘(IBr)、一氟化碘(IF)或这些卤素化合物中的任两种或两种以上的混合物。溴(Br2)是优选的二原子卤素分子。如本文件通篇使用的术语卤化石墨烯纳米片中的“卤化”是指其中在石墨烯纳米片的制备中使用Br2、F2、ICl、IBr、IF、或其任何组合的石墨烯纳米片。类似地，对于卤化剥落型石墨来说，术语“卤化”是指其中在剥落型石墨的制备中使用Br2、F2、ICl、IBr、IF或其任何组合的剥落型石墨。卤化剥落型石墨是本专利技术的实施方案，并且可通过本专利技术工艺获得。溴化剥落型石墨是优选的卤化剥落型石墨。卤化石墨烯纳米片是本专利技术的实施方案，并且可通过本专利技术工艺获得。溴化石墨烯纳米片是优选的卤化石墨烯纳米片。本专利技术的卤化石墨烯纳米片包括石墨烯层且特征在于除了形成纳米片的石墨烯层的周边的碳原子以外具有(i)除sp2碳以外不含任一元素或组分的石墨烯层，和(ii)基本上无缺陷的石墨烯层。卤化石墨烯纳米片中的卤素的总含量为约5wt％或更少，所述卤素的总含量以溴计算并且基于卤化石墨烯纳米片的总重量。片语“除sp2碳以外不含任一元素或组分”指示基于纳米片的总重量的杂质通常处于或低于百万分之一(ppm；wt/wt)的水平。通常，卤化石墨烯纳米片具有约3wt％或更少的氧，优选约1wt％或更少的氧；在卤化石墨烯纳米片中所观察到的氧被认为是源于石墨起始材料的杂质。片语“基本上无缺陷”指示卤化石墨烯纳米片的石墨烯层基本上不含结构缺陷(包含孔、五元环和七元环)。在一些实施方案中，本专利技术的卤化石墨烯纳米片在纳米片的石墨烯层的周边包括化学结合的卤素。可以在卤化石墨烯纳米片的石墨烯层的周边化学结合的卤素原子包含氟、氯、溴、碘和其混合物；溴是优选的。尽管存在于本专利技术纳米片中的卤素的总量可以变化，但基于纳米片的总重量，纳米片中卤素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卤化石墨烯纳米片，其包括石墨烯层且特征在于除了形成所述纳米片的所述石墨烯层的周边的碳原子以外具有(i)除sp

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.30 US 62/1864201.一种卤化石墨烯纳米片，其包括石墨烯层且特征在于除了形成所述纳米片的所述石墨烯层的周边的碳原子以外具有(i)除sp2碳以外不含任一元素或组分的石墨烯层，和(ii)基本上无缺陷的石墨烯层，其中所述纳米片中的卤素的总含量为约5wt％或更少，所述卤素的总含量是以溴计算并且基于所述纳米片的总重量。2.如权利要求1所述的卤化石墨烯纳米片，其在所述纳米片的所述石墨烯层的周边具有化学结合的卤素。3.如权利要求1到2中任一项所述的卤化石墨烯纳米片，其为在所述纳米片的所述石墨烯层的周边具有化学结合的溴的溴化石墨烯纳米片。4.如权利要求3所述的溴化石墨烯纳米片，其具有增强的水中分散性。5.如权利要求1所述的卤化石墨烯纳米片，其中所述纳米片为溴化石墨烯纳米片。6.如权利要求5所述的溴化石墨烯纳米片，其中基于所述纳米片的总重量，所述纳米片具有在约0.001wt％到约5wt％范围内的总溴含量。7.如权利要求5所述的溴化石墨烯纳米片，其中所述纳米片包括少层石墨烯。8.如权利要求5所述的溴化石墨烯纳米片，其中所述纳米片包括两层石墨烯。9.如权利要求7或8所述的溴化石墨烯纳米片，其中所述纳米片的所述层之间具有约0.335nm的距离，如通过高分辨率透射电子显微术所测定。10.如权利要求5或9所述的溴化石墨烯纳米片，其中所述纳米片包括两层石墨烯，所述两层石墨烯具有约0.7nm的厚度，如通过原子力显微术所测定。11.如权利要求5或6所述的溴化石墨烯纳米片，其在惰性气氛下在高达约800℃的温度下经受热重分析时展现可忽略不计的重量损失。12.如权利要求5或6所述的溴化石墨烯纳米片，其在900℃和惰性气氛下经受热重分析时展现约4wt％或更少的重量损失。13.如权利要求5所述的溴化石墨烯纳米片，其具有在约0.1微米到约50微米范围内的横向尺寸，如通过原子力显微术所测定。14.如权利要求1到13中任一项所述的卤化石墨烯纳米片，其没有可检测到的化学结合的氧杂质。15.一种卤化剥落型石墨，其具有约5wt％或更少的卤素总含量，所述卤素总含量是以溴计算并且基于所述卤化剥落型石墨的总重量。16.一种在不存在水和氧时生产卤化剥落型石墨的方法，所述方法包括：I)使选自元素溴、元素氟、一氯化碘、一溴化碘、一氟化碘和这些中的任两种或两种以上的混合物的二原子卤素与石墨小薄片接触，以形成包括卤素嵌入型石墨的固体；和II)将卤素嵌入型石墨进给到不含氧和水蒸气的反应区中，同时(a)将所述卤素嵌入型石墨迅速加热到约400℃或以上的温度并且在将所述卤素嵌入型石墨维持在约400℃或以上的温度，并且(b)使选自Br2、F2、ICl、IBr、IF或这些中的任两种或两种以上的混合物的二原子卤素与所述卤素嵌入型石墨在所述反应区内维持接触；并且从所述反应区回收卤化剥落型石墨，所述卤化剥落型石墨具有约5wt％或更少的总卤素含量，所述总卤素含量是以溴计算并且基于所述卤化剥落型石墨的总重量；和III)任选地将步骤I)和II)依次重复一次或多次。17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括IV)使所述卤化剥落型石墨经受卤化石墨烯纳米片释放程序以形成卤化石墨烯纳米片；和V)任选地将步骤I)、II)和任选地IV)依次重复一次或多次。18.如权利要求16所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y张，JC帕克斯，CR卡德尔马斯，JM奥代，
申请(专利权)人：雅宝公司，
类型：发明
国别省市：美国,US