二维晶体吸附气体的方法及应用技术

本发明专利技术属于气体存储技术领域，涉及一种二维晶体吸附气体的方法及应用，吸附气体的方法包括：1）选取二维晶体材料；2）将二维晶体材料置于气体吸附腔中；3）向气体吸附腔内通入待吸附气体；4）对置于气体吸附腔中的二维晶体材料注入电荷，促使二维晶体材料表面放电，形成外电场；5）置于二维晶体材料周围的气体在步骤4）的外电场的作用下极化产生偶极矩并与二维晶体材料吸引，形成稳定的结构，完成二维晶体材料对气体的吸附。本发明专利技术提供了一种便于操作、吸附稳定性强以及便于操控的二维晶体吸附气体的方法及应用。体的方法及应用。体的方法及应用。

【技术实现步骤摘要】
二维晶体吸附气体的方法及应用


[0001]本专利技术属于气体存储
，涉及一种二维晶体吸附气体的方法及应用。

技术介绍

[0002]固体
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气体界面发生的吸附过程多年来一直是科学家关注的问题。这一过程是许多重要现象和应用的基础，例如气体的捕获和转化，气体的存储与分离，基于气体吸附的表面催化，源气体吸附后的材料生长过程以及吸附气体引起的吸附剂物理、化学性质的变化，等等。因此，研究和探索固体
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气体界面吸附行为，在相关领域具有重要的意义。
[0003]通常来讲，固
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气界面吸附过程中，根据气体分子与固体表面原子是否形成化学键，可分为化学吸附和物理吸附两种类型。其中，对于化学吸附的气
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固系统，气体分子与固体原子之间的相互作用能很高，甚至高达几百kJ/mol。由于化学键的形成，系统表现出很强的稳定性。然而，化学吸附之间较强的键能，使得该过程通常认为是不可逆的，难以实现气体重复性的捕获和释放，因此极大的限制了相关应用。相反，气体分子与固体表面通过范德华力、氢键或静电引力相互作用的物理吸附，被认为是可逆的，再生能耗低，并且其相互作用能通常低于30kJ/mol。然而，由于固体吸附剂与气体分子之间存在较弱的电荷转移，特别是对于具有稳定闭壳层的分子，如常见的非极性气体分子，氢气，Ar，二氧化碳，氮气，氦气，甲烷等，吸附行为难以发生。当前为了实现气体的物理吸附和存储过程，往往需要低温和高压条件，并且一旦脱离这种环境，吸附的气体将自发脱吸附。这些现象阻碍了吸附性能的实验研究和储气库的工业应用。因此，吸附剂如何在温和的条件下(如室温和大气压)捕获和保存分子仍然是一个悬而未决的问题。
[0004]为了提高物理吸附的吸附能力，人们做了许多尝试。例如，采用具有高比表面积和孔隙比的吸附剂，如MOFs、COMs和石墨烯等2D材料。然而，这些材料的吸附能力并没有得到很大的增强，主要是因为该过程仍然局限于低温吸附。到目前为止，实验上仍然未实现正常条件下气体分子的稳定吸附。探索和发展能够实现常温、常压稳定高密度吸附气体的方法具有重要的研究意义。
[0005]另外需要注意的是，由于固体
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气体界面行为是众多现象的基础，因此研究固体吸附剂对气体分子的吸附行为，具有重要的潜在应用价值。比如，有望开发出新的技术手段实现气体的分离。当前，实现气体分离的技术主要包括变压吸附气体分离法，水合物气体分离法，低温蒸馏气体分离法，深冷气体分离法，膜分离法等。其中水合物法，需要低温高压下形成水合物，反应选择性低，形成水合物效率慢；低温蒸馏法，操作条件严苛，需要较高的压强和较低温度，深冷分离法在分离过程中，需要消耗大量的制冷能量，投资成本高，反应条件苛刻，膜分离法处理能力差，增压耗能高。当前，较为成熟的分离方法为变压吸附气体分离法。变压吸附气体分离技术的原理是根据固体材料中气体组分吸附特性的差异，吸附量随着压力变化的特点，利用周期性压力变换的方式完成相应的气体分离和提纯。分离技术总体包括，气体吸附、气体解吸再生以及升压三个环节。其中气体吸附是利用吸附剂对其气体进行相应的吸附。解吸再生就是要能够实现吸附剂的解吸再生，使得能够持续承担相应的
吸附任务。升压，则是将解吸再生完成后，将气体压强升高，既可以实现气体分离，提高气体纯度，同时为下一次的再吸附和提纯做准备。其中气体的吸附过程是基础，传统的吸附过程依据浓缩反应原理。因此，利用不同手段实现固体吸附剂对气体的吸附过程，对于气体的生产和分离具有重要的作用，必须加强相关技术的研发和应用，以期获得不断创新和改进，最终促进气体分离技术的发展。
[0006]利用石墨烯等二维材料作为吸附剂在研究气体吸附过程中，有望同时实现对吸附剂的改性。石墨烯等二维材料巨大的比表面积，容易在生产和使用过程中受到表面吸附杂质原子的影响，使得本征的物理、化学性能发生明显的变化。例如，当石墨烯旁边的每个碳原子与氢原子共价结合成稳定的化学键时，石墨烯将变为二维的烷烃，高度导电的石墨烯将变成具有绝缘特性的石墨烷新材料。如果石墨烯表面原子氢化不完全时，部分氢化的石墨烯将表现出一定的铁磁性并且呈现出随着氢化程度而能带结构可调整的特征。除了共价键，通过π
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π相互作用、氢键、离子键等非共价键作用的方式，同样能够实现对石墨烯的改性，实现石墨烯表面功能化。此外，掺杂，离子轰击等方法也是改变石墨烯性能的重要手段。掺杂过程能够改变半导体的基本特征，有效调控光、电、磁学特征，进而促进高效率新型光电器件的实现。例如经过CVD法制备的氮掺杂石墨烯，呈现出n型半导体的特征。离子轰击，利用具有一定初始能量的离子，轰击石墨烯靶材，进而导致空位、原子缺失、原子取代等缺陷的产生。缺陷的存在会极大的影响石墨烯电子的运动状态。例如，经过Ar+轰击的石墨烯能够出现不同振幅和周期性的褶皱结构，进而影响其电子性能。特别重要的是，对石墨烯进行改性是实现石墨烯应用的一种重要手段。例如，石墨烯独特的力、热、光、电性能以及优异的阻隔性能在涂料领域具有很大的潜在应用价值，通过将石墨烯与有机树脂集合不仅能够大大提高涂层的整体性能，同时赋予了涂层耐腐蚀、导热、导电、阻燃等特殊性能。开发出全新的手段实现石墨烯等二维材料对气体分子的可控稳定吸附，将为实现石墨烯等二维材料本征性能改良以及后期改性二维材料的开发应用打下坚实的基础。
[0007]固体吸附剂(或称催化剂)实现对气体分子的吸附和催化分解过程，这一过程实际是化学气相沉积(CVD)法制备石墨烯等多种低维材料的工作基础，因此研究固体吸附剂对气体分子的吸附行为，在CVD生长领域同样具有重要的潜在价值。以CVD法制备石墨烯为例，并且以常见的甲烷作为碳源，铜作为生长衬底。简单来讲，生长过程中，甲烷需要吸附在铜金属表面，并且在铜衬底的催化作用下进行催化裂解，发生脱氢反应，最终在铜衬底表面生长出石墨烯薄膜。因此，在CVD法制备材料过程中，除了传统的调控参数，压强、气流量、气氛组成比例、生长温度、生长时间，升温和降温过程调控等，发展全新的手段调控固体吸附剂对气体的吸附过程，是实现目标材料调控的重要手段。

技术实现思路

[0008]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种便于操作、吸附稳定性强以及便于操控的二维晶体吸附气体的方法。
[0009]本专利技术还要解决的技术问题是提供了一种二维晶体上脱吸附气体的方法。
[0010]本专利技术还要解决的技术问题是提供了一种分离气体的方法。
[0011]本专利技术还要解决的技术问题是提供了一种对二维晶体进行改性的方法。
[0012]技术方案：为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0013]一种二维晶体吸附气体的方法，所述二维晶体吸附气体的方法包括以下步骤：
[0014]1)选取二维晶体材料；
[0015]2)将二维晶体材料置于气体吸附腔中；
[0016]3)向气体吸附腔内通入待吸附气体；
[0017]4)对置于气体吸附腔中的二维晶体材料注入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维晶体吸附气体的方法，其特征在于：所述二维晶体吸附气体的方法包括以下步骤：1）选取二维晶体材料；2）将二维晶体材料置于气体吸附腔中；3）向气体吸附腔内通入待吸附气体；4）对置于气体吸附腔中的二维晶体材料注入电荷，促使二维晶体材料表面放电，形成外电场；5）在外电场的作用下，置于二维晶体材料周围的气体极化产生偶极矩并与二维晶体材料吸引，形成稳定的结构，完成二维晶体材料对气体的吸附。2.根据权利要求1所述的二维晶体吸附气体的方法，其特征在于：所述二维晶体材料包括二维晶体，所述二维晶体是层状薄片材料或含空腔结构的层状材料；所述二维晶体是石墨烯、hBN、MoS2、MoSe2、MoTe2、NbS2、NbSe2、NbTe2、WS2、WSe2以及WTe2一种或其组合。3.根据权利要求2所述的二维晶体吸附气体的方法，其特征在于：所述二维晶体是层状薄片材料时，所述二维晶体是通过范德瓦尔斯力相互结合的单层层状材料、双层层状材料或少层层状材料；所述二维晶体是层状薄片材料时，所述二维晶体是石墨烯薄片、MoS2薄片、MoSe2薄片、MoTe2薄片、NbS2薄片、NbSe2薄片、NbTe2薄片、WS2薄片、WSe2薄片以及WTe2薄片的一种或其组合；所述二维晶体是含空腔结构的层状材料时，所述二维晶体是由单层、双层或多层层状材料卷曲形成的含空腔结构的层状材料；所述二维晶体是含空腔结构的层状材料时，所述二维晶体是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯管、氮化硼纳米管以及碳纤维中一种或其组合；优选的，所述二维晶体材料还包括衬底；所述二维晶体置于衬底上；所述衬底是绝缘的非金属材料或非绝缘的金属材料；所述衬底是绝缘的非金属材料时，所述衬底是蓝宝石、碳化硅和/或氧化硅；所述衬底是非绝缘的金属材料时，所述衬底是铜、镍和/或铂；优选的，所述步骤2）中气体吸附腔是密闭的石英管或反应釜。4.根据权利要求1或2或3所述的二维晶体吸附气体的方法，其特征在于：所述步骤3）中待吸附气体是能源气体、惰性气体、氮气、二氧化碳以及氧气中的一种或其组合；所述待吸附气体是能源气体时，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：高力波，袁国文，黄贤雷，刘伟林，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：