通过压缩流连续产生剥离型2D层状材料制造技术

本文描述了用于连续产生剥离型二维(2D)材料的方法，所述方法包括使2D材料混合物穿过敛散喷嘴，所述2D材料混合物包括2D层状材料和可压缩流体。本公开的方法采用高压气体流的物理压缩和膨胀，从而使所述2D层状材料基本上无缺陷以便以简单、连续且环境友好的方式产生剥离型2D层状。

Continuous generation of stripped 2D layered materials by compressed flow

This paper describes a method for continuous generation of stripped two-dimensional (2D) materials. The method includes making a mixture of two-dimensional materials pass through a convergent nozzle. The mixture of two-dimensional materials includes two-dimensional layered materials and compressible fluids. The method of the present disclosure employs physical compression and expansion of high-pressure gas flow, so that the 2D layered material is substantially defect-free in order to generate stripped 2D layers in a simple, continuous and environmentally friendly manner.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过压缩流连续产生剥离型2D层状材料版权声明本专利文件的公开内容的一部分含有受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人按专利文件或专利公开在美国专利与商标局专利文档或记录中出现的形式复制所述专利文件或专利公开，但是在其他方面保留任何的所有版权权利。交叉引用本申请要求2016年9月30日提交的美国临时申请号62/402,591的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。
技术介绍
在过去十年中，人们在产生单层二维(2D)层状材料方面存在显著兴趣。根据其化学结构，单片层状材料具有许多有益的性质，如高机械强度、高电导率和热导率、独特的量子力学效应和高表面积，所述材料可用于催化和能量储存等。与其他更苛刻的用于剥离2D层状材料的方法(如化学插层或超声处理)不同，本公开的方法仅依赖于高压气体流的物理压缩和膨胀，从而使所述2D层状材料在很大程度上没有缺陷。剥离型2D层状材料以简单、连续和环境友好的方式产生。本公开的方法提供充足且廉价的剥离型2D层状材料供应，这为其大规模扩增和进一步应用开发开辟了道路。二维(2D)纳米材料在下一代电子产品、消费品、能量产生和储存以及医疗保健领域具有众多应用。2D纳米材料的实用性和应用的迅速增长需要开发用于大规模生产的方式。2D和层状材料领域在过去的几十年中引起了极大兴趣，这是由于当块体材料被分离成其2D形式时表现出来的各种独特性质。此类层状材料包括石墨烯、过渡金属二硫属化物(如二硫化钼[MoS2]和二硫化钨[WS2])以及氮化硼，其独特的性质包括高机械强度、高电导率和热导率、高表面积和独特的量子力学效应。然而，这些性质通常取决于晶格结构、材料的品质和分离层的数量。因此，在过去的十年中，已经对众多合成和剥离高品质2D材料的方法进行了大量的研究工作，同时优化产量并降低成本和处理时间。用于下一代电子产品、消费品、能量产生和储存以及医疗保健应用的2D层状材料(如石墨、氮化硼和MoS2)的研究和开发非常普遍，并且因此需要开发用于大规模生产单层2D材料的方法。
技术实现思路
本文公开了使用悬浮在经历等熵膨胀的高压气体中的2D层状材料的多相流来剥离二维(2D)纳米材料的连续流剥离(CFE)方法。在一些实施方案中，在溶剂中喷射膨胀气体，其中大部分(多达20％)的初始材料每个颗粒剥离成几层。剥离归因于2D层状材料在窄通道中和在可压缩气体的快速等熵膨胀存在下经历的高剪切速率在一些实施方案中，本文所述的方法具有相对于现有2D材料剥离方法的显著益处，如关于化学插层和剥离以及液相剪切剥离，其中最明显的是所述过程的快速、连续性质。其他优点包括环境友好的处理、减少缺陷的发生以及使用任何气态介质待应用于任何2D层状材料的通用性。将这一过程扩展至工业产生很有可能使剥离2D纳米材料的市场价格降低一个数量级。本文提供的方法涉及批处理并且涉及超临界流体。本公开的方法不受这些因素的限制；相反，所述方法依赖于高压流，从而使其适合于连续操作，并且它们可能涉及任何可压缩流体。本文提供了用于连续流剥离的方法和用于通过以连续方式流动通过细喷嘴和孔口的高速可压缩流体来剥离2D层状材料的方法。基本原理是基于使悬浮在可压缩介质中的2D层状材料的多相流加速至接近音速和超音速速度，由此产生足够的剪切速率以引起层减少和剥离。此外，所述流处的冲击波和低压的存在也有助于层减少和剥离。使用氦气和氮化硼颗粒，所述CFE方法形成2D纳米材料在异丙醇中的悬浮液，所述2D纳米材料具有4.2纳米(nm)的平均厚度和276nm的平均长度以及约65的平均纵横比。本文教导的CFE方法能够使用多种气体(如氦气、氮气和二氧化碳)来剥离其他2D纳米材料，如石墨烯和硫化钼。除了在短持续时间内达到的高浓度(0.2毫克/毫升[mg/mL])外，CFE的优点还包括能够使剥离和悬浮稳定化过程彼此隔离、环境友好的处理以及减少缺陷的发生，所述缺陷否则可能出现在可比较的基于超声时间的处理中。使用可压缩气体的连续流进行高通量2D纳米材料生产代表了经济上可行的大规模制造的范式转变，具有将成本降低一个数量级或更多的潜力。本文提供的一个方面是一种用于连续产生剥离型2D材料的方法，所述方法包括使2D材料混合物穿过敛散喷嘴，所述2D材料混合物包含2D层状材料和可压缩流体。在一些实施方案中，所述2D层状材料包括石墨、石墨烯、氮化硼、单层氮化硼、二硫化钼(MoS2)、单层MoS2或其任何组合。在一些实施方案中，所述可压缩流体包括空气、氮气、二氧化碳、氦气或其任何组合。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是约0.01mg/mL至约0.4mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是至少约0.01mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是至多约0.4mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是约0.01mg/mL至约0.02mg/mL、约0.01mg/mL至约0.05mg/mL、约0.01mg/mL至约0.1mg/mL、约0.01mg/mL至约0.15mg/mL、约0.01mg/mL至约0.2mg/mL、约0.01mg/mL至约0.25mg/mL、约0.01mg/mL至约0.3mg/mL、约0.01mg/mL至约0.35mg/mL、约0.01mg/mL至约0.4mg/mL、约0.02mg/mL至约0.05mg/mL、约0.02mg/mL至约0.1mg/mL、约0.02mg/mL至约0.15mg/mL、约0.02mg/mL至约0.2mg/mL、约0.02mg/mL至约0.25mg/mL、约0.02mg/mL至约0.3mg/mL、约0.02mg/mL至约0.35mg/mL、约0.02mg/mL至约0.4mg/mL、约0.05mg/mL至约0.1mg/mL、约0.05mg/mL至约0.15mg/mL、约0.05mg/mL至约0.2mg/mL、约0.05mg/mL至约0.25mg/mL、约0.05mg/mL至约0.3mg/mL、约0.05mg/mL至约0.35mg/mL、约0.05mg/mL至约0.4mg/mL、约0.1mg/mL至约0.15mg/mL、约0.1mg/mL至约0.2mg/mL、约0.1mg/mL至约0.25mg/mL、约0.1mg/mL至约0.3mg/mL、约0.1mg/mL至约0.35mg/mL、约0.1mg/mL至约0.4mg/mL、约0.15mg/mL至约0.2mg/mL、约0.15mg/mL至约0.25mg/mL、约0.15mg/mL至约0.3mg/mL、约0.15mg/mL至约0.35mg/mL、约0.15mg/mL至约0.4mg/mL、约0.2mg/mL至约0.25mg/mL、约0.2mg/mL至约0.3mg/mL、约0.2mg/mL至约0.35mg/mL、约0.2mg/mL至约0.4mg/mL、约0.25mg/mL至约0.3mg/mL、约0.25mg/mL至约0.35mg/mL、约0.25mg/mL至约0.4mg/mL、约0.3mg/mL至约0.35mg/mL、约0.3mg/mL至约0.4mg/mL或约0.35mg/mL至约0.4mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于连续产生剥离型二维(2D)材料的方法，所述方法包括·提供2D层状材料；·提供可压缩流体；·使所述2D层状材料与所述可压缩流体混合，从而形成2D材料混合物；以及·使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴以在所述可压缩流体嵌入所述2D层状材料之前剥离所述2D层状材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.30 US 62/402,5911.一种用于连续产生剥离型二维(2D)材料的方法，所述方法包括·提供2D层状材料；·提供可压缩流体；·使所述2D层状材料与所述可压缩流体混合，从而形成2D材料混合物；以及·使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴以在所述可压缩流体嵌入所述2D层状材料之前剥离所述2D层状材料。2.如权利要求1所述的方法，其中所述2D层状材料包括石墨、石墨烯、氮化硼(BN)、单层BN、二硫化钼(MoS2)、单层MoS2或其任何组合。3.如权利要求1所述的方法，其中所述可压缩流体包括空气、氮气、二氧化碳、氦气或其任何组合。4.如权利要求1所述的方法，其中所述2D材料混合物中的所述2D层状材料的浓度是约0.01毫克/毫升(mg/mL)至约0.4mg/mL。5.如权利要求1所述的方法，其中所述敛散喷嘴包括德拉瓦尔喷嘴、阀、孔口、细管或其任何组合。6.如权利要求5所述的方法，其中阀包括针形阀、蝶形阀、球形阀、夹管阀、可调节流量阀、单向流量阀或其任何组合。7.如权利要求1所述的方法，其中使所述2D材料混合物穿过所述敛散喷嘴包括向所述2D材料混合物施加约200磅/平方英寸(psi)至约4000psi的压力。8.如权利要求1所述的方法，其中所述2D材料混合物以小于所述可压缩流体中的声速的速度进入所述敛散喷嘴。9.如权利要求1所述的方法，其中所述2D材料混合物以大于所述可压缩流体中的声速的速度离开所述敛散喷嘴。10.如权利要求1所述的方法，其中所述敛散喷嘴具有约0.005毫米(mm)至约0.5mm的喉道尺寸。11.如权利要求1所述的方法，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德·B·卡内尔，艾米丽·蓬·纳·恩固因，赛义德·雷扎·里兹维，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US