通过在液体中脉冲放电制造纳米碳材料的系统和方法技术方案

用于制造纳米材料的系统可包括第一电极；通过间隙与第一电极隔开的第二电极；和配置成包封所述第一电极、所述第二电极和液体的腔室。所述系统还可包括配置成向所述第一电极和所述第二电极的至少一个提供电能的电源；和配置成使所述液体流动通过所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的泵。第二电极之间的间隙的泵。第二电极之间的间隙的泵。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过在液体中脉冲放电制造纳米碳材料的系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2019年6月7日提交的美国临时申请No.62/858,554的优先权和权益，将其全部内容通过引用引入本文中。


[0003]本公开内容总体上涉及纳米材料制造，并且更具体地，涉及通过在液体中脉冲放电制造纳米材料的系统和方法。

技术介绍

[0004]纳米材料包括碳纳米颗粒(例如，纳米金刚石或富勒烯)并且可用于许多行业，例如电子、化学、建筑、医药等。纳米金刚石形成碳纳米材料家族的一部分，与富勒烯和纳米管一起，近年来因其在某些情况下提供卓越的机械、光学、表面和生物相容性性质的潜力而引起极大的兴趣。表现出金刚石的出色的本体性质，但以纳米级膜或纳米级颗粒的形式，使纳米金刚石成为对许多应用来说廉价但具有潜在高性能的选择，例如增强聚合物填料和增材制造用的材料、油和润滑剂的减摩添加剂、涂料中的添加剂、用于生物医药的输送剂或造影剂、精细抛光磨料、化学和电力应用中的催化剂等。
[0005]合成纳米材料(包括纳米金刚石)的一种方式是通过在填充有冰或惰性气体作为冷却剂的密闭腔室中爆炸。爆炸后的金刚石产率(最高达90％)取决于合成条件，尤其是冷却剂的热容量。为了分离和纯化，爆炸产物需要在硝酸中煮沸。
[0006]然而，此类过程可与可限制纳米材料的工业应用的重大挑战相关。一个挑战是许多纳米材料可具有高的制造成本，并且可涉及污染副产物和/或危险过程。例如，为了将纳米金刚石从干粉形式转化为悬浮液(也称为“分散体”)形式，可将纳米金刚石分散在液体中。然而，将纯化的纳米金刚石分散在液体中的成本可能显著高于产生纳米金刚石粉末(例如，通过爆炸)的成本。
[0007]与纳米材料和/或纳米金刚石生产潜在相关的另一个挑战是，在其他物质内均化(均质化)(例如，均匀地分散)纳米材料可为困难的或昂贵的。在某些情况下，纳米金刚石颗粒可具有凝结或聚集的趋势，尤其是当干粉纳米颗粒与液体混合时。
[0008]纳米材料和/或纳米金刚石生产中的第三个挑战是在产生后可能难以操控纳米材料的颗粒尺寸(例如，进一步减小颗粒尺寸)。例如，由爆炸产生的纳米金刚石的典型尺寸可为5纳米(nm)，这(作为比较)仍大于在陨石中观察到的1nm纳米金刚石(例如，在晶体表面上具有一个或多个石墨烯帽)。这种约1纳米的纳米金刚石颗粒尺寸是否天然存在于地球上是未知的。某些制造技术可用于减小纳米金刚石(或其他纳米材料)的尺寸。此类技术可包括在氧气中蚀刻纳米金刚石。然而，这样的方法对于工业用途可能是困难的或不切实际的。
[0009]因此，为了纳米材料的更广泛的工业应用，存在如下需求：降低纳米材料的制造成本、用液体均化纳米材料颗粒、和减小纳米材料颗粒的尺寸。当前公开的技术旨在解决这些和其他挑战。

技术实现思路

[0010]本公开内容的一个方面旨在用于制造纳米材料的系统。所述系统可包括第一电极；通过间隙与所述第一电极隔开的第二电极；以及配置成包封所述第一电极、所述第二电极和液体的腔室。所述系统还可包括配置成向所述第一电极和所述第二电极的至少一个提供电能的电源；和配置成使所述液体流动通过所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的泵。
[0011]本公开内容的另一方面旨在用于制造纳米材料的方法。所述方法可包括用液体填充腔室，所述腔室包封第一电极和第二电极；设定电连接(耦合)至所述第一电极和所述第二电极的电源的参数；在多个碳颗粒的生产阶段期间控制所述液体的流速，通过在所述第一电极和所述第二电极之间的间隙中的等离子体脉冲产生所述碳颗粒；和从所述腔室移出所述多个碳颗粒的分散体。
[0012]其他实施方式可包括：包含碳纳米颗粒的经制造的材料，其中所述碳纳米颗粒各自包括金刚石核；和至少一个在所述金刚石核的表面上的石墨烯帽，其中所述碳纳米颗粒的平均尺寸在0.5纳米和3纳米之间。
[0013]本文中还讨论了其他系统和方法。
附图说明
[0014]图1是说明与所公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的示例性系统的示意图。
[0015]图2A
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2B是说明与公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的示例性电极构造的示意图。
[0016]图2C是说明与公开的实施方式一致的图2A
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2B的电极构造中的侵蚀电极的示意图。
[0017]图2D是说明与公开的实施方式一致的图2A
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2B的电极构造中产生的气泡的示意图。
[0018]图3A
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3C是说明与公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的另一示例性电极构造的示意图。
[0019]图4A
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4B是说明与公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的又一示例性电极构造的示意图。
[0020]图5A
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5B是说明与公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的又一示例性电极构造的示意图。
[0021]图6A
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6B是说明与公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的又一示例性电极构造的示意图。
[0022]图7是说明与公开的实施方式一致的电源的脉冲电流和脉冲电压的示例性波形的示意图。
[0023]图8是说明与公开的实施方式一致的向工作液体放电的实际放电电流和实际放电电压的示例性波形的示意图。
[0024]图9是说明与公开的实施方式一致的向工作液体放电的等离子体脉冲的放电功率的示例性波形的示意图.
[0025]图10是说明与公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的示例性电路的示意图。
[0026]图11是说明与公开的实施方式一致的用于制造纳米材料的电流和电压的串行(连续，serial)脉冲的示例性波形的示意图。
[0027]图12是说明与公开的实施方式一致的生成的纳米材料的结构的透射电子显微镜(TEM)图像。
[0028]图13是说明与公开的实施方式一致的通过动态光散射(DLS)方法确定的纳米颗粒分散体的尺寸分布的图示。
[0029]图14是说明与公开的实施方式一致的干纳米颗粒的尺寸的暗场扫描透射电子显微镜(STEM)图像。
[0030]图15是说明与公开的实施方式一致的用于分离两种类型的分散体的示例性设置的示意图。
[0031]图16A
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16B是说明由图15所示并与公开的实施方式一致的两种类型的分散体的表面结构的图示。
[0032]图16C
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16D是说明与公开的实施方式一致的纳米金刚石核上的石墨烯帽的位置对称性的图示。
[0033]图16E是绘制包括使用公开的实施方式制造的纳米颗粒的两种类型的液体分散体的示例性粘度对剪切速率的图示。
[0034]图16F
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16G显示与使用公开的实施方式制造的纳米材料相关的示例性X射线光电子能谱法(XPS)曲线。
[0035]图16H是包括使用公开的实施方式制造的对称加盖的纳米颗粒的液体分散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于制造纳米材料的系统，包括：第一电极；通过间隙与所述第一电极隔开的第二电极；配置成包封所述第一电极、所述第二电极和液体的腔室；配置成向所述第一电极和所述第二电极的至少一个提供电能的电源；和配置成使所述液体流动通过所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的泵。2.如权利要求1所述的系统，其中所述第二电极平行于所述第一电极布置。3.如权利要求1
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2任一项所述的系统，其中所述第一电极包括细长构件。4.如权利要求1
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3任一项所述的系统，其中所述第二电极包括细长构件或扁平构件之一。5.如权利要求4所述的系统，其中所述扁平构件包括垫或板之一。6.如权利要求3
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5任一项所述的系统，其中所述细长构件包括棒或针之一。7.如权利要求1
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6任一项所述的系统，其中所述电源配置成向所述第一电极或所述第二电极的至少一个提供脉冲电输出。8.如权利要求7所述的系统，其中所述脉冲电输出的功率大于或等于1兆瓦。9.如权利要求7
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8任一项所述的系统，其中所述脉冲电输出的脉冲持续时间大于或等于10纳秒且小于或等于40纳秒。10.如权利要求7
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9任一项所述的系统，其中所述脉冲电输出的脉冲频率大于或等于100Hz。11.如权利要求7
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10任一项所述的系统，其中所述脉冲电输出配置成在所述液体中引起等离子体脉冲以在所述液体中产生多个碳颗粒。12.如权利要求11所述的系统，其中所述多个碳颗粒的平均尺寸在0.5nm和1.5nm之间。13.如权利要求11
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12任一项所述的系统，其中所述多个碳颗粒包括被至少一个石墨烯帽覆盖的金刚石核。14.如权利要求13所述的系统，其中所述至少一个石墨烯帽相对于所述金刚石核对称地定位。15.如权利要求14所述的系统，其中所述多个碳颗粒配置成用作以下的至少一种：用于提高效率的太阳能面板的添加剂；用于医疗用途的发光标记物的添加剂；用于量子点显示器和光源的发光体的添加剂；或用于吸收紫外线辐射的漆、涂料或塑料的添加剂。16.如权利要求13所述的系统，其中所述至少一个石墨烯帽相对于所述金刚石核不对称地定位。17.如权利要求16所述的系统，其中所述多个碳颗粒配置成当作为润滑剂的添加剂被包含时改变润滑剂的粘度。18.如权利要求11
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17任一项所述的系统，其中所述多个碳颗粒和所述液体形成分散体。19.如权利要求14
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18任一项所述的系统，其中所述多个碳颗粒配置成用作以下的至少一种：润滑剂的减摩添加剂；润滑剂的减磨剂；润滑剂的抗氧化剂；或润滑剂、冷却液或聚合物的用于增加导热性的添加剂。20.如权利要求1
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19任一项所述的系统，其中所述第一电极包括第一端部，并且所述间
隙在所述第一端部和所述第二电极之间。21.如权利要求1
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20任一项所述的系统，其中所述间隙大于或等于0.3毫米且小于或等于3毫米。22.如权利要求1
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21任一项所述的系统，其中所述泵进一步配置成驱动所述液体逆着所述第一电极的侵蚀方向流动通过所述间隙。23.如权利要求1
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22任一项所述的系统，其中所述泵进一步配置成驱动所述液体流动通过所述间隙以去除气泡。24.如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：德米特里梅德韦杰夫，米哈伊尔马林，叶夫根尼戈雷利克，鲍里斯米斯拉夫斯基，罗曼伊利耶夫，
申请(专利权)人：米哈伊尔马林叶夫根尼戈雷利克鲍里斯米斯拉夫斯基罗曼伊利耶夫，
类型：发明
国别省市：