一种量产大尺寸二维材料的设备的制作方法

本发明属于纳米材料制备装置领域，尤其涉及一种基于固相剪切剥离层状材料来大规模制备大尺寸二维材料的设备。

背景技术：

二维材料真正走入人们视线不过短短数年，已迅速成为全球材料领域的大热，不断涌现新的发现和新的突破，热门程度堪比2005年的石墨烯。二维材料的电子被禁锢在二维的空间里，但并不一定都都像石墨烯，是单原子层的结构。它也可以有几个原子层的厚度，层内原子都以共价键牢牢相互结合在一起，层与层之间通过很弱的范德华力连接，各层之间还是独立的。电子只在层内运动，不会在层间流窜。根据成分与结构的不同，纳米级别厚度的二维材料显示出各种各样的性能，在众多领域都有巨大的发展潜力。

现阶段规模化生产二维材料的方式主要为化学气相沉积(cvd)制备高质量二维材料以及液相方法将层状材料剥离成纳米级别的厚度。其中，cvd方法制备的材料高质量，但是设备成本高，产率低，较适合于需要高参数值的电子器件。通过自上而下的方法剥离层状材料于溶剂当中，对设备的要求不高，具有低成本、可加工等优势，在很多的领域都具有很好的前景，比如能源、催化、打印电子等。但液相剥离的方法制备的二维材料，产率很低，而且需要使用有机溶剂。制备二维材料还可通过氧化插层的方法或插层还原性碱金属等来实现。它们产率高，对设备的要求低，但插层法会让二维材料带上官能团、金属离子或有机分子等，从而失去或者恶化其本征特性，比如氧化石墨烯。此外，还可以通过球磨机来制备，它的产率高，设备成本较低，但得到的二维材料横向尺寸小，结构缺陷较多。

综上所述，如何大规模、高质量、大尺寸的剥离层状材料对于其应用具有重大的意义。但现在还没有一款设备能够同时满足二维材料高质量、大尺寸、量产的要求。

技术实现要素：

本发明旨在解决背景技术中提到的技术问题，提供一种量产大尺寸二维材料的设备。该设备结构简单，操作方便，剥离效率高，得到的二维材料尺寸大，与溶剂具有良好的相容性，在能源、催化、打印电子等领域都有良好的应用前景，二维材料的年产量高达10万吨级。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种量产大尺寸二维材料的设备，主要由研磨装置构成，所述研磨装置包括研磨棒、研磨槽、设置在研磨棒上方的驱动装置以及与所述研磨装置配套使用的研磨颗粒，所述驱动装置在加载压力的同时旋转所述研磨棒；所述研磨棒、研磨槽与研磨颗粒一起作用，挤压剥离层状材料，研磨颗粒的粒径为10～10000目。

作为本发明改进的技术方案，还包括分离室以及产品收集容器；所述分离室用于将剥离后的层状材料与溶剂混合均匀，然后分离混合液中的大颗粒沉淀物与上清液；所述产品收集容器用于收集分离室导出的上清液，所述上清液即为大尺寸二维材料的分散液。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述研磨槽的槽面与研磨棒的端面构成研磨室，在研磨室上方设置有送料口，在研磨室的下方设置有带阀门的出料口，所述出料口与第一输送管道连接，所述第一输送管道的另一端直接通入分离室的上方，所述分离室的中下部设置有带阀门的出液口，所述出液口与第二输送管道连接，所述第二输送管道的另一端直接通入产品收集容器的上方，由此研磨装置、分离室和产品收集容器构成一连续的生产线。

进一步地，所述研磨室为封闭室，其左端的送料口设置有阀门，其右端设置有进气口和吸气口的至少一种，且所述进气口和吸气口均设置有阀门。

优选地，所述槽面为半球形，有利于层状材料在剥离过程中回流到半球面，接受研磨力。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述分离室内部设置有机械搅拌器、磁力搅拌器或者超声波发生器，所述机械搅拌器、磁力搅拌器或者超声波发生器用于将剥离后的层状材料与溶剂分散均匀。

作为本发明改进的技术方案，所述研磨颗粒包括尿素、树脂砂、氧化铝、氮化硅、碳化硅、立方氮化硼、六方氮化硼、金刚石、碳化硼、碳化铝、氮化铝、石英砂、海砂、氧化硅、氧化锆、碳化钛、碳化钨、碳化钼、碳化钒、氮化钼、氮化钨、碳化铬、氮化钒、碳化锆、氮化锆、食盐、沙子中的至少一种。

作为本发明改进的技术方案，所述研磨颗粒的莫氏硬度1～10。

作为本发明改进的技术方案，所研磨颗粒的尺寸为20目～2000目。

作为本发明改进的技术方案，所述驱动装置加载的压力大小为1～1000n/cm²，加载时间为10分钟～100小时，制得的二维材料的平面尺寸为0.1～20μm

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明首次提出了一种年产10万吨级别的制备大尺寸二维材料的设备。该设备利用连续的生产线将各种层状材料剥离成大尺寸二维材料。其结构简单，操作方便，剥离效率高，得到的二维材料尺寸大，适用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明设备的结构示意图；

图2本发明中通过研磨颗粒辅助剥离二维材料的原理图；

图3为实施例1制得的氮化硼二维材料的afm图；

图4为实施例1制得的氮化硼二维材料的hr-tem图；

图5为不同种类的研磨颗粒与原始层状材料制得的氮化硼二维材料的分散液的照片；

图6为不同尺寸的研磨颗粒与原始层状材料制得的氮化硼二维材料的分散液的照片；

图7为研磨颗粒与不同原始层状材料得到的二维材料分散液的照片。

其中，1-研磨槽，2-研磨棒，3-研磨室，4-驱动装置，5-研磨颗粒，6-送料口，7-出料口，8-进气口，9-出气口，10-第一输送管道，11-分离室，12-超声设备，13-出液口，14-第二输送管道，15-产品收集容器。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更清楚明了地理解本发明，现结合具体实施方式和附图，对本发明进行详细介绍。

实施例1

如图1所示，本发明的量产大尺寸二维材料的设备，主要由研磨装置构成。所述研磨装置包括研磨棒2、研磨槽1、设置在研磨棒2上方的驱动装置4以及与研磨装置配套使用的研磨颗粒5。驱动装置4在加载压力的同时旋转研磨棒2。所述研磨棒2、研磨槽1与研磨颗粒5一起作用，挤压剥离层状材料，研磨颗粒5的粒径为10～10000目。研磨槽1的槽面为半球形，有利于层状材料在剥离过程中回流到半球面，接受研磨力。控制驱动装置4加载的压力大小在1～1000n/cm²范围内，加载时间为10分钟～100小时内，可制得平面尺寸为0.1～20μm的二维材料。本发明可单独使用研磨装置对研磨颗粒5与层状材料共混后的干粉进行挤压剥离，得到含大尺寸二维材料的固态粉末。可直接保存所述固态粉末，以便后续操作。所述固态粉末可长期保存。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述量产大尺寸二维材料的设备还包括分离室11以及产品收集容器15。分离室11用于将剥离后的层状材料与溶剂混合均匀，然后分离混合液中的大颗粒沉淀物与上清液。分离室11内部设置有机械搅拌器、磁力搅拌器或者超声波发生器12，机械搅拌器、磁力搅拌器或者超声波发生器12用于将剥离后的层状材料与溶剂分散均匀。本发明优选使用超声波发生器12，其不仅可以分散剥离后的层状材料，还可以再次对剥离后的层状材料进行剥离。产品收集容器15用于收集分离室11导出的上清液，所述上清液即为大尺寸二维材料的分散液。

本发明的研磨装置、分离室11以及产品收集容器15可以为相互独立的设备，完成一道工序后通过转运装置输入到下一工序，也可以通过输送管道串联在一起，构成一个连续的量产流水线。具体地，研磨槽1的槽面与研磨棒2的端面构成研磨室3，在研磨室3上方设置有送料口6，在研磨室3的下方设置有带阀门的出料口7，出料口7与第一输送管道10连接，第一输送管道10的另一端直接通入分离室11的上方，分离室11的中下部设置有带阀门的出液口13，出液口13与第二输送管道14连接，第二输送管道14的另一端直接通入产品收集容器15的上方，由此研磨装置、分离室11和产品收集容器15构成一连续的生产线。所述连续生产线的生产工序为：1)先将研磨颗粒5与原始层状材料混合均匀，形成共混干粉，将所述共混干粉通过送料口6送入研磨室3中，然后驱动研磨棒2研磨，剥离层状材料；2)打开出料口7阀门，接着将溶剂通过送料口6冲入研磨室3中，从而将剥离后的层状材料通过第一输送管道10冲入分离室11；3)启动分离室11的超声波发生器12，使剥离后的层状材料和溶剂混合均匀，然后静止沉降，混合液中的大颗粒物质沉淀在分离室11底部；4)打开出液口13阀门，分离室11中下部之上的上清液就会通过第二输送管道14进入产品收集容器15。该工序得到的二维材料的浓度取决于加入的溶剂量，其最高可达50mg/ml，适用于印刷电子和喷墨电子领域。

为了使本发明的装置适用于量产需隔绝空气或者需要惰性气体保护的二维材料，本发明做了进一步的改进，将研磨室3设置成封闭室，其左端的送料口6设置有阀门，其右端设置有进气口8和吸气口9的至少一种，且进气口8和吸气口9均设置有阀门。当原始层状材料与研磨颗粒5的混合物送入研磨室3后，关闭送料口6，开启吸气口9阀门，抽真空，然后关闭吸气口9阀门，打开进气口8阀门，通入保护性气体，最后关闭进气口8阀门。吸气、充气的操作可重复多次，其可根据实验条件对真空度、惰性气体纯度的需要进行合理设置。

研磨装置的工作原理如图2所示。研磨颗粒5将挤压力转化成剪切力，所述剪切力平行于所述层状材料的平面，破坏层状材料层与层之间的范德华作用力，从而剥离得到纳米级厚度的二维材料。

例如，将层状氮化硼与400目的树脂砂按照100：1混合均匀，然后加入研磨室中，对研磨棒施加100n/cm²的作用力挤压研磨，研磨5h，得到剥离后的层状氮化硼，然后将剥离后的层状氮化硼放入sds水溶液中，超声波分散，然后沉淀，取上清液，得到高质量大尺寸氮化硼二维材料的分散液。图3为本实施例制得的氮化硼二维材料的afm图，图4为本实施例制得的氮化硼二维材料的hr-tem图。由图3和图4可见，但氮化硼二维材料的厚度约为4nm，其横向尺寸约为3～12μm。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例对研磨颗粒5的种类进行了设计，分别为碳化硅、尿素、氧化铝、立方氮化硼、碳化硼、金刚石、树脂砂、氮化硅。得到的氮化硼二维材料的分散液的照片如图5所示。

实施例3

在实施例1的基础上，本实施例对树脂砂的粒径进行了设计，分别为20目、400目、2000目、8000目。得到的氮化硼二维材料的分散液的照片如图6所示。

实施例4

在实施例1的基础上，本实施例对原始层状材料的种类进行了选择，分别为层状石墨、层状硫化钼(mos2)、层状硒化钨、黑磷、黑砷磷、硒化铋。得到的二维材料的分散液的照片如图7所示。需要说明的是，层状硫化钼(mos2)、层状硒化钨、黑磷、黑砷磷、硒化铋的研磨剥离需要在钝性气体保护下进行。

本发明首次提出量产大尺寸二维材料的设备，其利用连续的生产线可以将各种层状材料剥离成大尺寸二维材料，适用于工业化生产。显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明所作的举例，而非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。只要是在本发明实施例基础上做出的常识性的改动方案，都处于本发明的保护范围之中。