[发明专利]通过压缩流连续产生剥离型2D层状材料

说明书

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。

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。

背景技术

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。

发明内容

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。