[发明专利]碳材料通过气液传质的原位生产和功能化及其用途

说明书

一种制备固体碳材料的方法，其包括：将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到反应器的反应区中；将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到反应器的反应区中；并且引发至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物之间的化学反应，其中：化学反应发生在反应器的反应区中；固体碳材料通过反应来制备；固体碳材料在所述反应期间以分散体的形式来制备，分散体包含分散在所述液体中的所述固体碳材料；化学反应是均相反应，包括固体碳材料在反应器的反应区中的均相成核。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月21日提交的美国临时申请第62/783,713号和2019年10月25日提交的美国临时申请第62/926,283号的权益和优先权，其各自在此通过引用整体并入本文。

背景技术

石墨烯的应用范围很广，包括防腐涂料和油漆、电子产品、太阳能板、药物输送、电池和水过滤器。然而，石墨烯商业化的一个重大挑战是缺乏可靠的大规模生产方法来生产低成本、高质量的石墨烯。石墨烯的各种生产方法可以分为自上而下和自下而上的方法。例如，传统的自上而下的方法包括：(i)化学转化石墨烯(氧化石墨烯的还原)、(ii)电化学剥离和(iii)在存在或不存在表面活性剂下进行液相剥离(LPE)。自下而上的方法包括：(i)通过催化化学气相沉积(CVD)由小分子有机前体合成的石墨烯结构、(ii)有机合成和(iii)SiC或其他衬底上的外延生长。

这些方法中，剥离氧化石墨烯(GO)的自上而下化学还原可能是批量石墨烯生产最常见的策略。该方法对应于石墨的化学转化。该过程非常耗时(例如约5小时)，通常需要使用昂贵的有害化学品，例如硫酸、硝酸和高锰酸钾，并且是能源密集型(例如，需要800℃至1050℃的高温)。此外，该过程不是有效的。强酸消耗多达20-50％的晶种石墨。过程需要繁琐的洗涤和净化步骤，从而产生大量需要适当处理的废水。GO板需要进一步的化学还原处理以降低氧含量。该还原产生还原的氧化石墨烯(rGO)。还原程序通常涉及进一步使用有毒化学品，例如肼。即使经过还原，石墨烯也远非原始状态。将GO还原为rGO的后期生产方法不能完全除去由强氧化过程引入的氧。剩余的氧基团可认为是化学缺陷的一种形式。此外，除去氧通常会导致形成空位和边缘损坏形式的物理缺陷。

上述大多数方法不会产生原始(即纯)石墨烯。原始石墨烯是没有化学缺陷和物理缺陷的单层或少数层石墨烯片晶。这两种缺陷均降低传热应用所需的独特热性能以及微电子和储能应用所需的电性能。典型的化学缺陷是存在于石墨烯片晶表面或边缘上的氧官能团，其显著降低石墨烯的热导率。例如，甚至5％的氧含量会使石墨烯的热导率降低95％(例如参见，Xin Mu等人，Sci.Reports,4:3909；DOI:10.1038/srep03909)。化学缺陷也降低石墨烯的导电性。含多达35％氧气的GO充当绝缘体而不是导体。物理缺陷包括石墨烯片晶平面和边缘处的孔洞和空位。这些孔洞和空位阻碍热量和电子在石墨烯平面上的自由流动。物理缺陷常常在生产过程或除氧过程中产生。

与石墨烯的工作相关的另一个主要问题是很难产生稳定的石墨烯分散体。石墨烯是不溶于溶剂的固体，使得石墨烯必须以粉末形式或作为分散体使用。尝试制造包含石墨烯的分散体存在许多挑战，包括浪费和成本增加的多步骤工艺。参见例如，Liang等人，Coatings,2018,8,33；Dong等人，Nature Communications,January 8,2018,9,articlenumber 76和Johnson,Current Opinion in ColloidInterface Science,2015,20(5-6),367-382。

因此，需要解决与制备石墨烯和其他碳材料相关的这些和其他挑战的方法。本文提供用于制备碳材料的方法，以及用于功能化材料的方法，其可以生产石墨烯、包括原始石墨烯，并且与常规方法相比可以是可扩展的、快速的并且具有降低的生产成本。

发明内容