CN107324320A - 一种机械剪切制备二维纳米材料的方法 - Google Patents

一种机械剪切制备二维纳米材料的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107324320A
CN107324320A CN201710555543.3A CN201710555543A CN107324320A CN 107324320 A CN107324320 A CN 107324320A CN 201710555543 A CN201710555543 A CN 201710555543A CN 107324320 A CN107324320 A CN 107324320A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nano materials
dimension nano
mechanical shearing
blade
knife edge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710555543.3A
Other languages
English (en)
Inventor
王静
李亚洲
薛婷婷
张大鹏
张泽灵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University of Science and Technology
Original Assignee
Anhui University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University of Science and Technology filed Critical Anhui University of Science and Technology
Priority to CN201710555543.3A priority Critical patent/CN107324320A/zh
Publication of CN107324320A publication Critical patent/CN107324320A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • C01B21/0648—After-treatment, e.g. grinding, purification
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B19/00—Selenium; Tellurium; Compounds thereof
    • C01B19/007—Tellurides or selenides of metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B25/00—Phosphorus; Compounds thereof
    • C01B25/02—Preparation of phosphorus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G39/00—Compounds of molybdenum
    • C01G39/06—Sulfides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G41/00—Compounds of tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G41/00—Compounds of tungsten
    • C01G41/02—Oxides; Hydroxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/20—Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明是一种二维纳米材料的制备方法，使用机械剪切的方式对二维纳米材料剥离，步骤是：1)制备机械剥离的剪切工具；2)对二维纳米材料进行机械剪切；3)将二维纳米材料与机械剪切工具分离。制得刀刃板、滚刀轴、刀刃剪三种剪切工具，分别是通过以下方式实现：其中刀刃板可通过在金属平板上生长超硬微粒；滚刀轴可通过将超尖硬微粒生长在两个完全相同的金属球上，形成对称滚轴；刀刃剪是直接使用类剪刀工具直接剪切二维材料。之后将机械剪切后的二维纳米材料与剪切工具分离，干燥后可得二维纳米材料。该方法的二维材料可重复加工使用，整个过程零废液、无污染、响应国家大力提倡的资源节约型、环境友好型的号召。

Description

一种机械剪切制备二维纳米材料的方法
技术领域
本发明涉及二维纳米材料制备领域，具体操作方法是用机械剥离制备二维纳米材料。
背景技术
石墨烯等二维纳米材料自发现以来一直是科研人员研究的热点，二维材料是在能源、光电、航空航天等领域有着广泛的应用，特别是超级电容器和超级纳米复合材料更是优于其它材料。但是，二维纳米复合材料的制备大都采用化学方法，在化学制备过程中，所制备的二维材料比表面积大，易发生团聚，很难与添加的化学试剂分离，不利于二维纳米材料的后续应用，并且化学方法制备的二维纳米材料产量有限，只适合实验室研究应用，而且化学方法操作复杂，成本高，产生的废液污染环境。
目前中国专利CN201310238984中报道了一种对流气体剪切剥离二维层状材料的方法，该方法通过高压冷却气体循环对流产生的剪切力来剥离二维层状材料，其包括：首先选择二维层状原料；将选好的原料加入到容器中，调节所述容器两端的温度差达到预定值；向容器中喷入高压气体，所述高压气体循环对流产生的水平剪切力直接作用于二维层状原料晶面，通过控制所述容器的温度差和气体循环对流时间实现二维层状原料层与层的有效剥离。与现有技术相比，本发明通过反复循环的冷热气体剪切作用，可以生成单层及少数层的二维材料如石墨烯，其产率高达98％以上。该方法工艺简单，为纯物理工艺，最大限度的减少了生产工艺对二维层状无机材料晶体结构的破坏。
中国专利CN201610531626中报道了一种二维材料的制备方法，该方法将球磨工艺和液相超声剥离工艺相结合制备二维材料，同时采用离心分离和真空抽滤相结合的方法将二维材料和剥离溶剂进行分离。本发明方法制备的二维材料具有纯度高和产率高等特点，本发明方法所用的原料可重复使用。
以上两种制备二维纳米材料的方法都存在不足：其中中国专利CN201310238984对实验设备要求高，对实验条件如压力，温度，对流时间等要求苛刻。中国专利CN201610531626在球磨过程中易破坏二维材料的层状结构，制备产率低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种机械剪切制备二维纳米材料的方法，通过制备剪切工具对二维材料机械剪切从而实现二维纳米材料的制备。
该制备方法包括以下步骤：
1)制备形成剪切应力的剪切工具：刀刃板、滚刀轴、刀刃剪；三种剪切工具可分别通过以下方式实现：其中刀刃板可通过在金属平板上生长超硬微粒；滚刀轴可通过将超尖硬微粒生长在两个完全相同的金属球上，形成对称滚轴；刀刃剪是直接使用类剪刀工具直接剪切二维材料。
2)对二维纳米材料进行机械剪切，三种剪切工具可分别通过以下方式进行操作：刀刃板的操作方法是将二维纳米材料放于两块刀刃板之间，在外力的作用下对二维材料机械剪切剥离；滚刀轴是将二维纳米材料放于两块完全相同的滚轴之间，在滚动过程中对二维材料剥离；刀刃剪是使用类剪刀工具在二维纳米材料表面施压，形成剪切应力对二维纳米材料剥离。
3)将二维纳米材料与机械剪切工具超声和离心分离，最后干燥得到二维纳米材料。
本发明中二维纳米材料是石墨、六方氮化硼、二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、三氧化钨和黑磷中的一种。
步骤1)中所述的超尖硬微粒是金刚石、碳化硅、刚玉中的一种，微粒粒径范围是0.2～10μm，所述的超尖硬微粒生长方式是重力植砂、海绵植砂和静电植砂中的一种；三种植砂生长时需要用到粘结剂，粘结剂可以是酚醛树脂、环氧树脂中的一种或混合物。
步骤2)中所述的刀刃板或刀刃剪机械剪切二维纳米材料的操作压力范围是20MPa～200MPa，所述的滚刀轴机械剪切二维纳米材料的操作的转速是30r/min。
步骤3)中所述的二维纳米材料与机械剪切工具分离过程是：将刀刃板与二维纳米材料的混合体放于液相介质中，之后将进行超声和离心，使附于刀刃板表面的二维纳米材料与刀刃板分离；将滚刀轴剥离的二维纳米材料直接收集于液相介质中进行超声和离心，将二维纳米材料与超尖硬微粒分离；将刀刃剪剥离的二维材料与未完全剥离的二维材料收集于液相介质中超声和分离，干燥方法是烘箱干燥，温度范围是：50℃～100℃。
本发明中液相介质是水、乙醇、丙酮中一种。
本发明的优点是：制备过程所需的设备完全可由实验员制备，并且操作简单；制备过程中不存在球磨制备二维材料时对材料层状结构的破坏；未完全剥离的二维材料可重复利用，节约资源；制备过程所得二维纳米材料质量高、产率高。
附图说明
图1是实施例1制备的石墨烯的TEM图片，从图可知制得的石墨烯是多层。
图2是实施例2制备WS2的XRD图片，三个峰谱从上到下分别对应的是初始WS2粉体，下层残渣，上层悬浮液。
图3是实施例3制备的Ti2C的XRD图片，三个峰谱从上到下分别对应的是初始Ti3SiC2块体，下层残渣，上层悬浮液。
图4是实施例4制备的Ti2C的XRD图片，三个峰谱从上到下分别对应的是初始Ti3AlC2块体，下层残渣，上层悬浮液。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明，实施案例是以本发明内容为前提，给出了实验具体操作过程，只限于说明本发明，而非限制本发明。
本实施例中的刀刃板或滚刀轴可通过以下方式实现：
1)在金属基板上使用静电植砂的方法生长出超尖硬微粒，利用高压静电场，将刚玉成为带电体，在涂有粘结剂的金属基板上生长,，粘结剂厚度是0.02～0.5mm，微粒粒径是0.2～2μm，在50℃～80℃下干燥1～5h，最后可制得刀刃板。
2)采用物理气相沉积的方法将碳化硅生长在金属基板上，微粒粒径是0.1～1.5μm，最终可制得刀刃板。
在两个完全相同的金属球表面涂覆粘结剂，之后将金刚石均匀生长在粘结剂上，粘结剂厚度是0.2～0.5mm，微粒粒径是0.2～2μm，在50℃～80℃下干燥1～5h，最后可制得滚刀轴。
实施例1：
利用购买的砂纸两张，砂粒粒径是0.2～4μm，将石墨磷片置于两张砂纸之间，然后放于长方模具内，施加压力进行机械剪切石墨磷片。所施加的压力为50Mpa，持续施压10min，之后将剥离的石墨烯和未完全剥离的石墨磷片与砂纸一同放于无水乙醇中，超声10min，取出砂纸后，将混合液体离心，取上层悬浮液，将所取悬浮在50℃的烘箱中干燥2h，最后可得二维材料石墨烯。
实施例2：
金属基板上涂覆一层E-42型环氧树脂充当粘结剂，粘结剂厚度是0.2～0.5mm，之后将金刚石均匀洒在粘结剂上，50℃烘干1h可制得刀刃板，然将二硫化钨按照实施例1中的施压方式将施压、超声、离心和干燥，最终可得二维纳米材料。
实施例3：
利用实施例2中的方法，在直径为8厘米的两个金属滚轴上植成厚度为0.2～0.5mm的金刚石，两个滚轴间距5mm形成滚刀轴，相对转动，将Ti3SiC2在两个滚刀轴之间自由下落相对转动，转速是30r/min，将下落的材料重复通过两个滚刀轴，30min后将收集的材料置于无水乙醇中，利用实施例1中的超声、离心和干燥的方法，最后可得二维纳米材料Ti2C。
实施例4：
使用实施例3的实验方式，实验材料是Ti3AlC2，可得二维纳米材料Ti2C。
实施例5：
使用实施例1的实验方式，实验材料是氮化硼，可得二维材料六方氮化硼。

Claims (10)

1.一种机械剪切制备二维纳米材料的方法，其特征是：利用剪切应力在超尖硬微粒上将二维材料进行剥离，该制备方法包括以下步骤：
1)制备形成剪切应力的剪切工具：刀刃板、滚刀轴、刀刃剪；三种剪切工具可分别通过以下方式实现：其中刀刃板可通过在金属平板上生长超硬微粒；滚刀轴可通过将超尖硬微粒生长在两个完全相同的金属球上，形成对称滚轴；刀刃剪是直接使用类剪刀工具直接剪切二维材料。
2)对二维纳米材料进行机械剪切，三种剪切工具可分别通过以下方式进行操作：刀刃板的操作方法是将二维纳米材料放于两块刀刃板之间，在外力的作用下对二维材料机械剪切剥离；滚刀轴是将二维纳米材料放于两块完全相同的滚轴之间，在滚动过程中对二维材料剥离；刀刃剪是使用类剪刀工具在二维纳米材料表面施压，形成剪切应力对二维纳米材料剥离。
3)将二维纳米材料与机械剪切工具超声和离心分离，最后干燥得到二维纳米材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的二维纳米材料是石墨、六方氮化硼、二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、三氧化钨和黑磷中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)中所述的超尖硬微粒是金刚石、碳化硅、刚玉中的一种，微粒粒径范围是0.2～10μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)中所述的超尖硬微粒生长方式是重力植砂、海绵植砂和静电植砂中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)中所述的刀刃板或刀刃剪机械剪切二维纳米材料的操作压力范围是20MPa～200MPa。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)中所述的滚刀轴机械剪切二维纳米材料的操作的转速是30r/min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3)中所述的二维纳米材料与机械剪切工具分离过程是：将刀刃板与二维纳米材料的混合体放于液相介质中，之后将进行超声和离心，使附于刀刃板表面的二维纳米材料与刀刃板分离；将滚刀轴剥离的二维纳米材料直接收集于液相介质中进行超声和离心，将二维纳米材料与超尖硬微粒分离；将刀刃剪剥离的二维材料与未完全剥离的二维材料收集于液相介质中超声和分离。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3)中所述的干燥方法是烘箱干燥，温度范围是：50℃～100℃。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于三种植砂生长时需要用到粘结剂，粘结剂可以是酚醛树脂、环氧树脂中的一种或混合物。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于液相介质是水、乙醇、丙酮中一种。
CN201710555543.3A 2017-07-10 2017-07-10 一种机械剪切制备二维纳米材料的方法 Pending CN107324320A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710555543.3A CN107324320A (zh) 2017-07-10 2017-07-10 一种机械剪切制备二维纳米材料的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710555543.3A CN107324320A (zh) 2017-07-10 2017-07-10 一种机械剪切制备二维纳米材料的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107324320A true CN107324320A (zh) 2017-11-07

Family

ID=60197148

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710555543.3A Pending CN107324320A (zh) 2017-07-10 2017-07-10 一种机械剪切制备二维纳米材料的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107324320A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108611684A (zh) * 2018-04-27 2018-10-02 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 一种过渡金属硫族化合物二维原子晶体的可控减薄方法
CN110642295A (zh) * 2019-10-25 2020-01-03 四川大学 基于固相力化学反应器的二硫化钼纳米片层剥离制备方法
WO2024026785A1 (zh) * 2022-08-04 2024-02-08 苏州大学 一种二维纳米片及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1974020A (zh) * 2006-10-26 2007-06-06 上海交通大学 机械剪切一维纳米材料的方法
CN103231457A (zh) * 2013-04-22 2013-08-07 孝感市瑞晟机电制造有限公司 一种高产量制备石墨烯的方法
CN104609413A (zh) * 2015-02-11 2015-05-13 合肥微晶材料科技有限公司 一种吨级生产石墨烯的类机械剥离装置及其生产方法
CN105271206A (zh) * 2015-11-23 2016-01-27 成都新柯力化工科技有限公司 一种利用螺杆机剪切连续制备石墨烯材料的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1974020A (zh) * 2006-10-26 2007-06-06 上海交通大学 机械剪切一维纳米材料的方法
CN103231457A (zh) * 2013-04-22 2013-08-07 孝感市瑞晟机电制造有限公司 一种高产量制备石墨烯的方法
CN104609413A (zh) * 2015-02-11 2015-05-13 合肥微晶材料科技有限公司 一种吨级生产石墨烯的类机械剥离装置及其生产方法
CN105271206A (zh) * 2015-11-23 2016-01-27 成都新柯力化工科技有限公司 一种利用螺杆机剪切连续制备石墨烯材料的方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108611684A (zh) * 2018-04-27 2018-10-02 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 一种过渡金属硫族化合物二维原子晶体的可控减薄方法
CN110642295A (zh) * 2019-10-25 2020-01-03 四川大学 基于固相力化学反应器的二硫化钼纳米片层剥离制备方法
CN110642295B (zh) * 2019-10-25 2021-08-03 四川大学 基于固相力化学反应器的二硫化钼纳米片层剥离制备方法
WO2024026785A1 (zh) * 2022-08-04 2024-02-08 苏州大学 一种二维纳米片及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107324320A (zh) 一种机械剪切制备二维纳米材料的方法
Shams et al. Graphene synthesis: a review
CN102102220B (zh) 金刚石(111)面上的石墨烯制备方法
CN107500358B (zh) 一种纳米二硫化钼的制备方法及其制备的二硫化钼
CN104264000B (zh) 石墨烯改性的高导热铝基复合材料及其粉末冶金制备方法
CN104803363A (zh) 一种大批量制备六方氮化硼纳米片的方法
WO2015149384A1 (zh) 一种石墨烯/金属复合板材的制备方法
CN105905888B (zh) 一种利用涡轮砂磨机剥离的石墨烯复合微片及其制备方法
CN108033487A (zh) 一种采用液相剥离法制备二维纳米片材料的方法
US20190023577A1 (en) Industrial method for preparing large-sized graphene
CN102675880B (zh) 多功能石墨烯和聚二甲基硅氧烷复合材料的制备方法
CN107043105A (zh) 一种连续规模化制备高品质石墨烯的方法
CN107151002B (zh) 一种以浓硫酸为插层剂制备单层或寡层氮化硼纳米片的方法
CN108046250A (zh) 一种二维材料的制备方法
CN106882795A (zh) 一种规模化超声剥离制备石墨烯的方法及石墨烯的应用
CN105800594A (zh) 一种基于固相力化学反应器的石墨烯材料及其制备方法
CN103641130A (zh) 一种利用氟化剥离制备氟化氮化硼纳米片的方法
CN106115679A (zh) 一种低成本制备石墨烯的方法
CN109650380B (zh) 一种真空环境下干摩擦制备碳纳米洋葱的方法
CN107720825A (zh) 一种简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法
CN106744835A (zh) 一种利用玉米秸秆制备石墨烯的方法
CN106672951A (zh) 一种环境友好高效率可规模化制备石墨烯的方法
CN106744878B (zh) 一种规模化粉碎制备大片径石墨烯的方法
CN103803533A (zh) 一种石墨烯的制备方法
CN107265445A (zh) 一种高质量石墨烯的绿色高效制备法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20171107