[发明专利]一种量产大尺寸二维材料的设备

说明书

本发明首次公开了一种量产大尺寸二维材料的设备，它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；所述研磨装置还可与分离室以及产品收集容器联用，形成连续成套的设备。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，结构简单，操作方便，剥离效率高，得到的二维材料尺寸大，适用于工业化生产年产量高达10万吨级别。同时，该设备得到的浓度决定于所加入的溶剂量，浓度可高达50mg/mL，适用于印刷电子和喷墨打印电子。

技术领域

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。

发明内容

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。