[发明专利]与石墨烯纳米材料相关的改进

说明书

本发明公开了一种制备石墨烯纳米材料产品的方法，其包括：对包含二芳香烃组分的液体介质进行空化，以从二芳香烃组分合成石墨烯纳米材料在液体介质中的分散体；以及从分散体中获得石墨烯纳米材料产品。

技术领域

本发明涉及制备石墨烯纳米材料产品的方法，以及由该方法获得的产品。

背景技术

原始形式的石墨烯是一种具有连续六边形排列的碳原子的二维单层，其具有许多有趣的物理特性；包括：大表面积、高强度，以及极高的热导率和电导率。此种材料的片材是柔性的，不透气且相对透明，因此具有广泛的应用前景，包括电子器件、储能材料、聚合物纳米复合材料、导电油墨和传感器。

石墨烯在新设备中成功应用的最大挑战是材料的可用性，迄今为止，主要的生产重点一直是“自上而下”的方法，涉及到将堆叠的石墨层分开以得到石墨烯片。据报道，石墨的剥离最早是通过微机械解理实现的，随后通过超声和高剪切作用电化学实现。作为自上而下合成的第一步，石墨转化为氧化石墨或嵌入石墨也有助于层的分解。所有这些途径都取决于高品质石墨的可用性。

人们还研究了从需要高温的替代碳源(通常是小分子)合成的“自下而上”方法。石墨烯的大面积膜可以在金属或碳化硅基底上生长，尽管基底的去除可能存在困难。石墨烯纳米材料可在不使用任何基底的情况下通过化学气相沉淀(CVD)合成。石墨烯通常集在炉外收，因此生产过程可以连续进行。此方法的一个例子是在大气压下用微波增强的乙醇CVD生产石墨烯。已证实，乙醇中乙醇钠的热分解可通过无基底的CVD产生少层石墨烯。

最近，人们越来越关注以窄条(石墨烯纳米带，GNRs)和点(石墨烯量子点，GQDs)的形式制备石墨烯。由于改变了传统石墨烯的零带隙，GQDs足够小(<30nm)，能够产生量子限制和尺寸依赖的光致发光。与无机半导体材料制备的量子点相比，碳基GQDs在毒性和成本方面具有一些优势。

GQDs的合成也分为两大类：自上而下和自下而上。自上而下的方法始于将石墨转化为氧化石墨片，然后应用切割程序(水热、溶剂热、电化学、纳米光刻、微波辅助、纳米辅助或超声波)将氧化石墨片转换成更小的GQDs。自下而上的方法使用小型有机分子的热解和聚合，例如，六-迫位-六苯并蔻被热解、氧化、官能化并还原形成直径为60nm、厚度为2-3nm的圆盘状GQDs，其中还使用了其他起始原料，包括柠檬酸、谷胱甘肽、L-谷氨酸和芘。钌催化C₆₀笼开口产生GQDs，其形状通过控制退火温度来定制。GQDs的潜在应用包括催化、生物成像(例如膜标记)、光电子学(LEDs)、印刷、光电探测器、量子计算和能量转换装置。

但是，仍需要“自下而上”的方法来提高石墨烯纳米材料的可用性。本发明的目的在于解决该问题和/或与现有技术相关的其他问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备石墨烯纳米材料产品的方法，其包括：对包含二芳香组分的液体介质进行空化，以从二芳香组分合成石墨烯纳米材料，并在液体中形成石墨烯纳米材料的分散体；从分散体中获得石墨烯纳米材料产品。

当液体压力快速变化导致蒸气气泡形成时，可能在液体中发生空化。气泡在低压区域形成，在较高压力下时破裂，内爆产生极高的局部温度和压力。研究发现，当二芳香化合物经历空化(如用超声诱导)时，这些条件产生具有一个或多个石墨烯层的纳米材料。气泡很小(几百微米)，破裂很快(微秒)，产生高温(数千K)。这允许形成或合成分散在液体介质中的纳米材料，可以从该分散体中获得纳米材料产品。

石墨烯纳米材料产品包含来自分散体的石墨烯纳米材料或由来自分散体的石墨烯纳米材料组成。特别地，石墨烯纳米材料产品包含从二芳香组分合成的石墨烯纳米材料或由从二芳香组分合成的石墨烯纳米材料组成。除了石墨烯纳米材料之外，石墨烯纳米材料产品可任选地包含源自该方法或起始材料的其他材料。