【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】晶格工程碳和它们的化学官能化相关申请的交叉引用本申请要求申请号为62/576433，2017年10月24日提交的美国临时专利申请的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。本申请还涉及2017年2月10日提交的PCT/US17/17537，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
以下公开内容涉及用于合成化学官能化的碳基材料的方法和材料。该合成可以通过经由自催化的晶格生长合成晶格工程碳来完成，并且可以包括碳基材料的化学官能化。更特别地，本公开涉及具有受控浓度的非六边形环的碳格和多层晶格组件的合成，并且涉及官能团共价添加到这些晶格和组件的基面。
技术介绍
合成"低维碳"(在此定义为具有至少一种结构特征的碳基结构，尺寸为100nm或更小)的常用方法包括多环碳大分子的化学气相沉积(CVD)。多环碳大分子，在此也称为"碳晶格"或"晶格"，是在多原子环结构中通过sp2杂化键彼此键合的碳原子的原子单层薄片(即，具有单原子厚度的薄片)。图1示出了石墨烯晶格，其包含在六边环结构彼此键合的碳原子。在CVD期间...
【技术保护点】
1.一种化学官能化的碳晶格，其通过包括以下步骤的方法形成：/n将反应器中的碳晶格核加热到介于室温与1500℃之间的温度；/n将所述碳晶格核暴露于含碳气体，以：/n将所述含碳气体中的碳原子吸附到碳晶格核的边缘；/n使所吸附的碳原子以多原子环的形式彼此共价键合，一部分所述多原子环包括非六边形环；/n在所述碳晶格核延伸出的一个或多个新晶格区域中使所述多原子环彼此共价键合，从而形成合并所述非六边形环的工程晶格；/n将所述工程晶格的一部分暴露于一种或多种化学物质，以使官能团和分子中的至少一个与所述工程晶格键合。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171024 US 62/576,4331.一种化学官能化的碳晶格，其通过包括以下步骤的方法形成：
将反应器中的碳晶格核加热到介于室温与1500℃之间的温度；
将所述碳晶格核暴露于含碳气体，以：
将所述含碳气体中的碳原子吸附到碳晶格核的边缘；
使所吸附的碳原子以多原子环的形式彼此共价键合，一部分所述多原子环包括非六边形环；
在所述碳晶格核延伸出的一个或多个新晶格区域中使所述多原子环彼此共价键合，从而形成合并所述非六边形环的工程晶格；
将所述工程晶格的一部分暴露于一种或多种化学物质，以使官能团和分子中的至少一个与所述工程晶格键合。
2.根据权利要求1所述的官能化的碳晶格，其中，所述方法还包括在所述反应器内使所述碳晶格核成核。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，在处理期间所述碳晶格核停留在模板或载体上。
4.根据权利要求3所述的官能化的碳晶格，其中，所述模板或载体包括无机盐。
5.根据权利要求3所述的官能化的碳晶格，其中，所述模板或载体包括在模板化碳、炭黑、石墨碳和活性碳颗粒中的至少一种内的碳晶格。
6.根据权利要求3所述的官能化的碳晶格，其中，所述模板或载体引导所述工程晶格的形成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述含碳气体包括有机分子。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述工程晶格包括多层晶格组件的一部分。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述非六边形环包括3元环、4元环、5元环、7元环、8元环和9元环中的至少一个。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述非六边形环产生具有非平面晶格特征的无定形或镁铁锰矿晶格结构。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述方法进一步包括通过选择形成环的条件来调整在所述工程晶格内形成的非六边形环的频率和平铺中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的官能化的碳晶格，其中，选择的条件包括以下中的至少一个：含碳气体的种类、含碳气体的分压、总气体压力、温度和晶格边缘几何形状。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述方法还包括在形成所述新晶格区过程中基本上保持所述条件。
14.根据权利要求11-12中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述方法进一步包括在形成所述新晶格区过程中显著改变所述条件。
15.根据权利要求14所述的官能化的碳晶格，其中，改变所述条件包括在形成所述新晶格区过程中加热或冷却所述新晶格区。
16.根据权利要求14所述的官能化的碳晶格，其中，改变所述条件包括将所述工程晶格输送通过两个或更多个不同的反应器区，每个不同的反应器区在形成所述新晶格区过程中具有不同的局部条件。
17.根据权利要求16所述的官能化的碳晶格，其中，将所述工程晶格输送通过两个或更多个不同的局部条件包括在形成所述新晶格区过程中将所述工程晶格输送通过梯度变化的局部条件。
18.根据权利要求16-17中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述不同的局部条件包括不同水平的热能。
19.根据权利要求18所述的官能化的碳晶格，其中，所述不同的局部条件包括在300-1100℃范围内的不同的局部温度。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述工程晶格的输送包括在移动床或流化床中输送所述工程晶格。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，在整个工程晶格中非六边形环结构的浓度基本相同。
22.根据权利要求1-20中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述工程晶格的一个区域中的非六边形环结构的浓度基本上不同于所述工程晶格的另一个区域中的非六边形环结构的浓度。
23.根据权利要求1-22中任一项所述的官能化的碳晶格，其中，所述工程晶格包括工程晶格的多层组件的表面。
24.根据权利要求10所述的官能化的碳晶格，其中，所述工程晶格内的非平面特征增加所述晶格的化学反应性。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的官能化的碳，其中，所述工程晶格或工程晶格的多层组件的拉曼光谱显示出低于0.25的IT/IG峰强度比。
26.根据权利要求1-24中任一项所述的官能化的碳，其中，所述工程晶格或工程晶格的多层组件的拉曼光谱显示出0.25-0.50的IT/IG峰强度比。
27.根据权利要求1-24中任一项所述的官能化的碳，其中，所述工程晶格或工程晶格的多层组件的拉曼光谱显示出0.50-0.75的IT/IG峰强度比。
28.根据权利要求1-24中任一项所述的官能化的碳，其中，所述工程晶格或工程晶格的多层组件的拉曼光谱显示出0.75以上的IT/IG峰强度比。
29.根据权利要求1-28中任一项所述的官能化的碳，其中，通过XRD测定的层间d-间距在之间显示出峰强度。
30.根据权利要求1-28中任一项所述的官能化的碳，其中，通过XRD测定的层间d-间距在之间显示出峰强度。
31.根据权利要求1-30中任一项所述的官能化的碳，其中，将所述工程晶格的一部分暴露于一种或多种化学物质包括暴露所述工程晶格的暴露部分的至少两侧。
32.根据权利要求1-30中任一项所述的官能化的碳，其中，将所述工程晶格的一部分暴露于一种或多种化学物质包括暴露所述工程晶格的暴露部分的不超过一侧。
33.根据权利要求32所述的官能化的碳，其中，所述工程晶格的未暴露侧被邻近的载体物理地遮盖。
34.根据权利要求33所述的官能化的碳，其中，所述邻近的载体包含一种或多种碳晶格。
35.根据权利要求1-34中任一项所述的官能化的碳，其中，将所述工程晶格的一部分暴露于一种或多种化学物质包括将官能团共价地添加到所述工程晶格的暴露部分。
36.根据权利要求1-35中任一项所述的官能化的碳，将所述工程晶格的一部分暴露于一种或多种化学物质包括在所述化学物质的存在下机械地搅动所述工程晶格。
37.根据权利要求1-36中任一项所述的官能化的碳，其中，使官能团和分子中的至...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·V·托马斯，M·毕肖普，
申请(专利权)人：迪金森公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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