CN107217305A - 一种液相剥离法制备二维材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液相剥离法制备二维材料的装置，其包括：容器罐、超声波破碎工作头和高剪切均质装置，该装置能够将超声波破碎工作头与高剪切均质装置联合使用对溶剂中的层型块状晶体材料进行剥离破碎。本发明还涉及一种液相剥离法制备二维材料的方法。本发明用液相剥离法制备二维材料的装置和方法，联合使用超声波破碎工作头与高剪切均质装置对层型块状晶体材料进行破碎剥离，利用超声波产生的空化效应和高剪切均质装置产生的离心挤压、液力剪切等多重复合作用，相较于现有的超声波破碎工作头单独作用的方式，能够更有效地打破晶体材料层与层之间的范德华力，获取到单层或少层且厚度均匀性好的高质量二维材料，可大大提高二维材料的制备效率。

Description

一种液相剥离法制备二维材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种用液相剥离法制备二维材料的装置和方法。

背景技术

当前，液相剥离法是二维材料制备的重要手段，该方法的原理是通过利用超声波粉碎作用将分散在有机溶剂中的层型块状晶体材料中层与层之间的范德华力打破，从而得到单层或少层的二维材料。然而在实际应用中，单纯采用超声波粉碎并不能非常有效地将晶体层与层之间的范德华力打破，使得所得产物原子层数多、层厚均匀性差，从而造成二维材料的产量低。

同时，在剥离过程中，超声波破碎过程中产生的大量热能会导致溶液温度上升，在一定程度上会影响剥离的效果。

此外，尤其是在少层或单原子层厚的易被氧化的二维材料制备过程中，如容器内存在空气、水汽等，则容易使制备的二维材料氧化生成相应的氧化物，生成的氧化物粘附在二维材料表面或溶解在剥离溶剂中，也会影响二维材料的产量和质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种液相剥离法制备二维材料的装置和方法，利用本发明的装置和方法，可以制备获得原子层数少、层厚均匀性好的高质量二维材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一方面，本发明提供一种液相剥离法制备二维材料的装置，包括：

容器罐，其用于盛装层型块状晶体材料和剥离溶剂；

超声波破碎工作头，其可置于所述容器罐中，对容器罐中的晶体材料进行超声波破碎；

高剪切均质装置，其可置于所述容器罐中，对容器罐中的晶体材料进行高速剪切；

所述超声波破碎工作头以及高剪切均质装置可被同时用于对容器罐中的晶体材料进行作用。

在一种优选的实施方式中，所述容器罐设置于一恒温槽中，所述恒温槽具有加热和制冷功能，并且所述恒温槽高度可调，进而调节恒温槽中容器罐高度。

在一种优选的实施方式中，还包括一隔音箱，所述恒温槽以及容器罐均位于该隔音箱内，所述恒温槽连接在隔音箱内的升降结构上，实现在隔音箱内的高度调节。

在一种优选的实施方式中，还包括一与容器罐连接的真空***，可用于对容器罐进行抽真空的操作，使得容器罐内形成真空环境。

在一种优选的实施方式中，还包括一与容器罐连接的气体保护装置，用于向容器罐内充入保护气体，，所述气体保护装置包括气体瓶、将气体瓶与容器罐相连的气体管道以及对管道进行控制的电磁阀。

在一种优选的实施方式中，所述容器罐还设有配套的容器盖，所述容器盖上设有可供超声波破碎工作头主轴和高剪切均质装置主轴穿过的孔，容器盖可通过快换螺栓和容器罐上的固定架锁紧，所述容器盖通过密封圈可与容器罐实现气密性连接，所述容器盖、密封圈、快换螺栓、固定架与容器罐组成容器装置。

又一方面，本发明提供一种液相剥离法制备二维材料的方法,包括如下步骤：

将层型块状晶体材料和剥离溶剂置于容器罐内；

联合使用超声波破碎工作头和高剪切均质装置对容器罐内的晶体材料进行作用；

获取二维材料。

在一种优选的实施方式中，在制备过程中，保持容器罐内溶液的温度恒定。

在一种优选的实施方式中，将层型块状晶体材料和剥离溶剂置于容器罐后，对容器罐内进行抽真空的处理，使得容器罐内形成真空环境。

在一种优选的实施方式中，在对容器罐内进行抽真空的处理后，再向容器罐内充入保护性气体。

本发明的有益效果是：

本发明用液相剥离法制备二维材料的装置和方法，联合使用超声波破碎工作头与高剪切均质装置对层型块状晶体材料进行破碎剥离，利用超声波产生的空化效应和高剪切均质装置产生的离心挤压、液力剪切等多重复合作用，相较于现有的超声波破碎工作头单独作用的方式，能够更有效地打破晶体材料层与层之间的范德华力，获取到单层或少层且厚度均匀性好的高质量二维材料，大大提高二维材料的制备效率。

同时，本发明的装置和方法配置的真空***和气体保护装置，能够有效地避免空气的氧气、水汽等对获得的二维材料的氧化作用，恒温槽能够将整个制备过程控制在恒定的温度范围内，整体上提高了二维材料剥离的效率与质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的液相剥离法制备二维材料的装置的组成结构示意图；

图2是本发明一个实施例的液相剥离法制备二维材料的方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

图1是本发明一个实施例的液相剥离法制备二维材料的装置的组成结构示意图，请参照图1，该装置包括超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2、容器装置3、恒温槽4、真空***5、气体保护装置6、隔音箱7以及控制器8。

如图1所示，在本实施例中，容器装置3首先包括容器罐31，该容器罐31优选为一个顶部开口的器皿，超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2自上向下竖向设置，通过调整容器罐31的位置，可使得超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2伸入到容器罐31内，当然，将容器罐31固定，调整超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2的高度也是可行的。

容器罐31用来盛装剥离溶剂和层型块状晶体材料，其中层型块状晶体材料是经过简单研磨处理的，而剥离溶剂也视晶体材料的种类进行选择，不同的晶体材料所需的剥离溶剂是不同的。超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2作用于其中的层型块状晶体材料，制备二维材料。联合使用超声波破碎工作头1与高剪切均质装置2对层型块状晶体材料进行破碎剥离，能够更有效地打破晶体材料层与层之间的范德华力，大大提高二维材料的制备效率，同时，由于破碎更加充分，获得层数更少、层厚更加均匀的二维材料，制备所得的二维材料的质量得到提高。本实施例中，对于超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2的数量、具体结构以及相互的位置关系等均不作任何限定。

本实施例中，容器装置3还包括与容器罐31配套的容器盖32，可与容器罐31形成气密性连接。在这种情况下，为了使得超声波破碎工作头1和高剪切均质装置2能够作用于容器罐31内的晶体材料，该容器盖32上设有可供超声波破碎工作头1主轴和高剪切均质装置2主轴穿过的孔。在容器盖32的底部，具有一和容器罐31顶部凸缘适配的卡槽33，在该卡槽33中设置有密封圈，这样，当容器盖32盖合到容器罐31上时，即可通过该密封圈实现容器罐31的气密性连接。同样，超声波破碎工作头1主轴、高剪切均质装置2主轴与所述容器盖32之间也形成密封。此外，优选可通过快换螺栓34和容器罐31上的固定架35将容器盖32锁紧到容器罐31上，保持容器罐31密封，使用结束后，只需将快换螺栓34的螺母松开，即可取下容器罐31，经后续处理获得二维材料。

上述的容器盖32、密封圈33、快换螺栓34、固定架35与容器罐31共同组成容器装置3。

容器罐31下方设有恒温槽4，容器罐31通过一容器固定架(图中未示出)置于恒温槽4中，恒温槽4带有温度控制***，具有制冷和加热的功能,可以分散超声波破碎工作头1和高剪切均质装置2在工作过程中产生的大量热能，保持温度恒定，优化剥离效果，使得获得的二维材料的质量更好。该固定架是可调节的，从而可以适用不同规格的容器罐31。

在一个优选的实施例中，恒温槽4是高度是可调的，从而使得容器罐31随恒温槽4的同步实现高度调节，以调整超声波破碎工作头1和高剪切均质装置2相对于容器罐31的垂直位置，从而方便容器罐31的放置和取下。

本实施例中，所述的恒温槽4通过一升降结构安装到隔音箱7内，从而实现其高度调节。隔音箱4箱体包含了隔音棉、隔音门等，用于隔绝超声波破碎工作头1和高剪切均质装置2工作时产生的噪音，同时，也可以对容器罐31等装置进行保护。所述的升降结构可以是滑块导轨组件，例如，在隔音箱4的内壁上竖向设置一导轨71，在恒温槽4上设置与该导轨相适配的滑块，通过该滑块在导轨71上的滑动，带动恒温槽4升降以调节其高度。当然，升降结构也可以是任何其它的可以实现升降的已知结构。

在本实施例中，真空***5通过空气管道与容器装置3连通，容器盖32上设有可供真空***5空气管道穿过的小孔。当真空***(例如真空泵)工作时，可将容器装置3内的空气抽出，使容器装置3内形成真空环境，不会有空气、水分等对经剥离的二维材料产生氧化作用。

在本实施例中，气体保护装置6包括电磁阀61和气体瓶62，气体瓶62视具体情况盛装氮气、氩气等不同的保护气体，气体保护装置6通过气体管道与容器装置连通，容器盖32上设有可供气体保护装置6的气体管道穿过的小孔，同时，隔音箱7的箱体上设有可供真空***5空气管道和气体保护装置6气体管道穿过的小孔。当气体保护装置工作时，电磁阀61开启，将保护气体充入真空的容器装置3中，充气动作完成，电磁阀62关闭，使容器装置3内形成更加稳定的保护气体氛围。

抽真空***以及气体保护装置的设置有效防止了制备的二维材料氧化生成相应的氧化物粘附在二维材料表面或溶解在剥离溶剂中，提高了二维材料的产量和质量。

在本实施例中，控制器8分别与上述的超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2、恒温槽4升降结构、真空***5以及气体保护装置6相连，是整个装置的控制集成，可以一个控制面板上实现对超声波破碎工作头1、高剪切均质装置2、恒温槽4的高度调节、真空***5以及气体保护装置6的控制，使整个装置的控制集成化，更加简便、快捷。

本实施例的液相剥离法制备二维材料的装置的使用方法如下：操作中首先将稍微研磨的层型块状二维材料(如石墨、黑磷、硫化钼、硫化钨、氮化硼等)晶体和剥离用溶剂加入到容器罐31，通过快换螺栓34和密封圈将容器罐31和容器盖32进行密封连接。在控制器8上开启恒温槽4的升降***，将恒温槽4调至合适的高度，并将容器罐31固定好。在控制器8上开启真空***5，待抽真空结束后，开启气体保护装置6，使容器罐31充满保护气体(例如氩气)。设定恒温槽4的温度***，关上隔音箱7的隔音门。待恒温槽4的温度稳定后，通过控制器8设置相关的参数(包括运行时间、超声功率、剪切转速等)开启超声波破碎工作头1和高剪切均质装置2，开始二维材料剥离操作。待超声波破碎工作头1和高剪切均质装置2运行到设定时间停止后，将容器装置上的快换螺栓34上的螺母松开，将恒温槽4高度降低，取下容器罐31，然后将溶液转至离心管进行离心分离，即可获得二维材料。

图2是本发明一个实施例的液相剥离法制备二维材料的方法的流程图，参考图2，其包括如下步骤：

将层型块状晶体材料和剥离溶剂置于容器罐内；

联合使用超声波破碎工作头和高剪切均质装置对容器罐内的晶体材料进行作用；

获取二维材料。

在本实施例中，在上述过程中，保持容器罐内溶液的温度恒定，可以分散超声波破碎工作头1和高剪切均质装置2在工作过程中产生的大量热能，优化剥离效果。

在本实施例中，在将层型块状晶体材料和剥离溶剂置于容器罐后，先对容器罐内进行抽真空的处理，使得容器罐内形成真空环境。不会有空气、水分等使经破碎的二维材料产生不利影响。更优选的，在对容器罐内进行抽真空的处理后，再向容器罐内充入保护性气体，防止破碎的二维材料氧化产生缺陷。

经制备黑磷二维材料模拟实验可得，采用本发明的装置和方法可以有效地增强破碎的效果，制备到的二维材料质量较佳，层数少且均匀，基本没有出现被氧化情况。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种液相剥离法制备二维材料的装置，其特征在于，包括：

容器罐，其用于盛装层型块状晶体材料和剥离溶剂；

超声波破碎工作头，其可置于所述容器罐中，对容器罐中的晶体材料进行超声波破碎；

高剪切均质装置，其可置于所述容器罐中，对容器罐中的晶体材料进行高速剪切；

所述超声波破碎工作头以及高剪切均质装置可被同时用于对容器罐中的晶体材料进行作用。

2.如权利要求1所述的液相剥离法制备二维材料的装置，其特征在于：所述容器罐设置于一恒温槽中，所述恒温槽具有加热和制冷功能，并且所述恒温槽高度可调，进而调节恒温槽中容器罐高度。

3.如权利要求2所述的液相剥离法制备二维材料的装置，其特征在于：还包括一隔音箱，所述恒温槽以及容器罐均位于该隔音箱内，所述恒温槽连接在隔音箱内的升降结构上，实现在隔音箱内的高度调节。

4.如权利要求1至3任一项所述的液相剥离法制备二维材料的装置，其特征在于：还包括一与容器罐连接的真空***，可用于对容器罐进行抽真空的操作，使得容器罐内形成真空环境。

5.如权利要求4所述的液相剥离法制备二维材料的装置，其特征在于：还包括一与容器罐连接的气体保护装置，用于向容器罐内充入保护气体，所述气体保护装置包括气体瓶、将气体瓶与容器罐相连的气体管道以及对管道进行控制的电磁阀。

6.如权利要求1至3，5中任一项所述的液相剥离法制备二维材料的装置，其特征在于：还设有与所述容器罐配套的容器盖，所述容器盖上设有可供超声波破碎工作头主轴和高剪切均质装置主轴穿过的孔，容器盖可通过快换螺栓和容器罐上的固定架锁紧，所述容器盖通过密封圈可与容器罐实现气密性连接，所述容器盖、密封圈、快换螺栓、固定架与容器罐组成容器装置。

7.一种液相剥离法制备二维材料的方法,其特征在于，包括如下步骤：

将层型块状晶体材料和剥离溶剂置于容器罐内；

联合使用超声波破碎工作头和高剪切均质装置对容器罐内的层状晶体材料进行作用；

获取二维材料。

8.如权利要求7所述的液相剥离法制备二维材料的方法，其特征在于：在制备过程中，保持容器罐内溶液的温度恒定。

9.如权利要求7或8所述的液相剥离法制备二维材料的方法，其特征在于：将层型块状晶体材料和剥离溶剂置于容器罐后，对容器罐内进行抽真空的处理，使得容器罐内形成真空环境。

10.如权利要求9所述的液相剥离法制备二维材料的方法，其特征在于：在对容器罐内进行抽真空的处理后，再向容器罐内充入保护性气体。