一种制备二维材料的方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种制备二维材料的方法，该方法通过二次流动产生的剪切力剥离制备二维材料，其包括选择原料与分散液，在混合器中配置混合溶液；选择反应器和动力系统，并连接反应器、动力系统与混合器；将混合液推入反应器，控制反应器内的流速和循环时间，利用混合液在反应器内快速流动并在弯道处形成连续的二次流动产生的剪切力对原料进行剥离制备二维材料。本发明专利技术的制备方法过程操作简单，成本低，可调节性大，适用于各种分散液和原料体系，具有很强的广谱性与可实施性；制备过程能够实现在纵向维度上无限放大，因此不存在放大效应，有利于工业化生产，可用于二维材料的规模化制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料制备领域，尤其涉及一种制备二维材料的方法。
技术介绍
自2004年英国曼彻斯特大学Geim教授和Novoselov教授通过微机械剥离的方式首次得到少层和单层石墨烯以来，二维材料包括过渡金属硫属化物、过渡金属氧化物以及其它二维化合物(例如氮化硼等)引起了各国科学家的广泛研究兴趣。它们具有的新奇的物理化学性质，在场效应管、光电器件、拓扑绝缘体以及能量存贮等许多方面具有潜在的应用前景。目前，二维材料的制备方法主要有两种：(1)“自上而下”的微机械力剥离法、锂离子插层法和液相超声法；(2)“自下而上”的化学气相沉积法。微机械力剥离法通过胶带的粘性附着力克服层状材料分子层间的弱范德华力，剥离得到单层和少层二维结构。微机械力剥离法操作简便、剥离产物缺陷较少，但产量较低。锂离子插层法将锂离子插层剂嵌入到层状结构中，加入质子性溶剂(如水、稀酸或低沸点醇)与插层化合物剧烈反应，产生大量氢气，增大了层间距，进一步在超声辅助作用下剥离、分散，得到双层水分子稳定的单层结构。化学气相沉积法有望实现大面积二维材料的可控合成，但该方法很难规模化生产，限制了其应用。液相超声法是利用超声作用，将有机溶剂(表面能和层状材料的表面能相近)或表面活性剂分子插入到层间，克服相邻层间的内聚能密度，实现剥离，但制备过程中，高能量的超声作用会导致石墨烯纳米片尺寸变小，表面和末端引入缺陷，这限制了二维材料在分子电子器件等方面的应用。剪切辅助液相剥离法利用剪切作用，克服层间的范德华力，得到单层或少层结构，此方法能够得到质量较好、尺寸较大的二维材料，但工业上产生剪切力的主要方式为机械搅拌，大型的机械搅拌设备不仅能耗大，并且大型搅拌机的高速化难以实现，同时存在反应器剪切死角。
技术实现思路
为解决上述问题，发展一种更加温和、简便有效、可以实现大规模制备质量较好的二维材料的方法具有重要的意义。本专利技术实施例中提供了一种制备二维材料的方法，该方法通过二次流动产生的剪切力剥离制备二维材料，其包括如下步骤：(1)选择原料与分散液，在混合器中配制混合溶液；(2)选择反应器和动力系统，并连接反应器、动力系统与混合器；(3)将混合液推入反应器，控制反应器内的流速和循环时间，实现剥离制备二维材料。优选的，上述的方法，其中，所述步骤(1)中的原料选自石墨烯，过渡金属氧化物，过渡金属硫化物以及氮化硼中的一种。进一步地，上述的方法，其中，所述步骤(1)中的原料选自二硫化钼，二硫化钨，二硒化铌，硒化镓，硫化镓，硒化铟，氧化钼和氮化硼中的一种。优选的，上述的方法，其中，所述步骤(1)中的分散液选自有机溶剂，无机溶剂，表面活性剂水溶液和聚合物溶液中的一种或者多种的混合溶液，其中若选择使用溶剂作为分散液，所选择的溶剂需要匹配待剥离二维材料的表面张力，例如剥离石墨烯，所选择的溶剂表面张力需要在30-60mJ.m-2。进一步地，上述的方法，其中，所述步骤(1)中的分散液选自N-甲基吡咯烷酮、胺类溶剂、异丙醇/水混合溶液、乙二醇/水混合溶液、胆酸钠水溶液、十六烷基三甲基溴化胺水溶液、异丙醇/乙腈/水混合溶液、聚乙烯吡咯烷酮水或醇溶液中的一种或者多种。优选的，上述的方法，其中，所述步骤(2)中的反应器包括两种类型；第一类反应器为同心圆型流道反应器，其流道呈同心螺旋状，其中，所述同心螺旋状包括相同半径螺旋上升和相同平面上的由内向外不同半径的螺旋；第二类反应为器S型流道反应器，其由相同半径的半圆横向顺序连接组成，其中相邻两个半圆的开口方向相反。优选的，上述的方法，其中，所述步骤(2)中的动力系统包括两种类型；第一类动力系统由钢瓶、压力罐组成，其中钢瓶中的气体选自空气或者氮气；第二类动力系统由空气压缩机和隔膜泵组成。优选的，上述的方法，其中，所述第二类动力系统中所述隔膜泵的薄膜材料选自丁腈橡胶，氯丁橡胶，氟橡胶，聚偏氟乙烯和聚四氯乙烯中的一种。优选的，上述的方法，其中，所述步骤(3)中的二次流动主要包括二次流流向不改变和二次流流向高频更迭的两种形式二次流动。优选的，上述的方法，其中，所述步骤(2)中的选择反应器的依据是当原料的平面尺寸大于1mm时，选择连续S型流道反应器；当原料的平面尺寸小于1mm时，选择同心圆型流道反应器；当原料颗粒尺寸大于1cm或者层间距小于0.34nm，则选择第一类
反应器与第二类反应器相组合的反应器体系。本专利技术的反应器、动力系统与混合器之间是一个循环的体系，首先钢瓶或者空压机驱动隔膜泵吸出混合器中的混合液体，混合液体进入反应器，利用混合液在反应器内快速流动并在弯道处形成连续的二次流动产生的剪切力对原料进行剥离，之后流出反应器又回到混合器中。本专利技术所述二次流动是流体以一定流速经过弯道时，在弯道的内外侧形成压力差，从而导致产生不同于主流流动的另一种流动方式，该流动被称之为二次流动。因此，在弯道处将存在主流和二次流两种不同维度上的流动，这种流动方式将显著提高流体对于流体的剪切力作用。本专利技术提供的制备二维材料的方法是利用二次流动液相剥离制备，其利用动力系统将原料和分散液的混合液加压后推送至选定的反应器内，混合液在反应器内快速流动并在弯道处形成连续的二次流动，利用二次流动产生的剪切力剥离二维材料，实现了整个过程的可自动化、密闭化以及长时间循环。所述本方法可以在纵向维度上无限叠加，因此不存在放大效应，同时制备条件简单、成本低，可用于二维材料的规模化制备。其中上述反应器中产生的连续二次流动，主要包含两种形式的二次流动，即流向不改变与流向高频更迭的两种二次流动。相应于上述的两种二次流动形式，需要两类反应器，即第一类反应器为同心圆型流道反应器，其流道呈同心螺旋状，其中，所述同心螺旋状包括相同半径螺旋上升和相同平面上的由内向外不同半径的螺旋，二次流动的流动方向不变，如图1所示，箭头方向代表了二次流动方向；第二类反应为器S型流道反应器，其由相同半径的半圆横向顺序连接组成，其中相邻两个半圆的开口方向相反，其中，二次流动的流向高频更迭，如图2所示，箭头方向代表了二次流动方向。对于反应器的选择，一方面由原料的颗粒尺寸与层间距大小，即剥离的难易程度决定。当原料的平面尺寸大于1mm时，选择连续S型流道反应器；若原料的平面尺寸小于1mm时，选择同心圆型流道反应器；此外，反应器的选择，还取决于原料的颗粒尺寸以及分散液的粘度等参数。高粘度分散液，较大颗粒尺寸以及较易剥离的材料可以使用第一类反应器，反之则选用第二类反应器。此外，对于如石墨烯等剥离难度较大的材料，可使用第一类反应器后再使用第二类反应器的组合方式。专利技术根据多种原料和分散液的不同混合溶液，为达到剥离所需的流体流动速度，提供了两类不同的动力系统。第一类动力系统由钢瓶和压力罐组成，钢瓶中的气体选择空气或者氮气，气体从压力罐上部进入后将液体从压力罐下部压出，该类动力系统适用于原料初始分散效果好、对于流体流动流速要求高等情况下的原料和分散液的混合溶液。
第二类动力系统由空气压缩机和隔膜泵组成，该系统适用于原料初始分散效果不佳、分散液相粘度大等情况下的原料和分散液的混合溶液。当原料颗粒尺寸过大(直径大于1cm)或层间范德华力较强时，例如石墨烯，为达到剥离所需的剪切力，需要使用氮气提供动力，驱动隔膜泵提高流体在流道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备二维材料的方法，其特征在于，该方法通过二次流动产生的剪切力剥离制备二维材料，其包括如下步骤：(1)选择原料与分散液，在混合器中配制混合溶液；(2)选择反应器和动力系统，并连接反应器、动力系统与混合器；(3)将混合液推入反应器，控制反应器内的流速和循环时间，实现剥离制备二维材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备二维材料的方法，其特征在于，该方法通过二次流动产生的剪切力剥离制备二维材料，其包括如下步骤：(1)选择原料与分散液，在混合器中配制混合溶液；(2)选择反应器和动力系统，并连接反应器、动力系统与混合器；(3)将混合液推入反应器，控制反应器内的流速和循环时间，实现剥离制备二维材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的原料选自石墨烯，过渡金属氧化物，过渡金属硫化物以及氮化硼中的一种。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的原料选自二硫化钼，二硫化钨，二硒化铌，硒化镓，硫化镓，硒化铟，氧化钼和氮化硼中的一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分散液选自有机溶剂，无机溶剂，表面活性剂水溶液和聚合物溶液中的一种或者多种的混合溶液。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分散液选自N-甲基吡咯烷酮、胺类溶剂、异丙醇/水混合溶液、乙二醇/水混合溶液、胆酸钠水溶液、十六烷基三甲基溴化胺水溶液、异丙醇/乙腈/水混合溶液、聚乙烯吡咯烷酮水或醇溶液中的一种或者多种。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙振宇，陶亨聪，魏莹，丁晶晶，张玉勤，马滔，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11