[发明专利]分散体

说明书

本发明公开了一种在水溶液中形成2D材料/石墨纳米微片的液体分散体的方法。所述方法包括以下步骤：(1)产生分散介质；(2)将2D材料/石墨纳米微片混合到分散介质中；和(3)使用机械装置使2D材料/石墨纳米微片经受足够的剪切力和/或破碎力，以减小2D材料/石墨纳米微片的粒径。液体分散体包含2D材料/石墨纳米微片、至少一种研磨介质、水和至少一种润湿剂，并且至少一种研磨介质是水溶性的或官能化为水溶性的。

技术领域

本发明涉及分散体，尤其涉及包含二维(2D)材料的水分散体以及制备这种分散体的方法。

背景技术

本文所称的2D材料包含一种或多种已知的2D材料和/或具有至少一个纳米级尺寸的石墨片或其混合物。它们在本文中统称为“2D材料/石墨纳米微片(nanoplatelets)”或“2D材料/石墨纳米片(nanoplates)”。

2D材料(有时称为单层材料)是由单层原子或最多几层原子组成的晶体材料。层状2D材料由2D层组成，这些层弱堆叠或结合形成三维结构。2D材料的纳米片具有纳米级或更小的厚度，并且它们的其他两个维度的尺度通常大于纳米级。

已知的2D纳米材料包括但不限于石墨烯(C)、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、六方氮化硼(hBN)、二硫化钼(MoS₂)、二硒化钨(WSe₂)、硅烯(Si)、锗烯(Ge)、石墨炔(C)、硼墨烯(B)、磷烯(P)或上述两种材料的2D垂直或面内异质结构。

具有至少一个纳米级尺寸的石墨薄片包含10至40层碳原子，并且横向尺寸在约100nm至100μm的范围内。

2D材料/石墨纳米微片，特别是石墨烯和六方氮化硼在材料领域具有许多有吸引力的性能，并且正在发现更多的性能。而利用这种材料及其性能的一个重大挑战是生产这样的组合物的这类材料是分散的，并且可以以商业化过程制备，从而具有商业吸引力。特别是，这种组合物必须具有足够的储存期/储存寿命，以使待出售的物质储存一段已知的时间，然后被使用。此外，这种组合物需要不对使用者和/或环境有危害，或者至少任何危害必须在可接受的范围内。

2D材料/石墨纳微米片面临的一个特殊问题是它们在水和水溶液中的分散性非常差，并且一旦分散，这种分散体的稳定性很差。例如，具有一个纳米级尺寸的石墨烯纳米片和/或石墨纳米片在水和水溶液中面临这个问题。六方氮化硼纳米片面临同样的问题。

对于已知或疑似有害的2D材料/石墨纳米微片，尤其是当没有包封在其他材料中时，这些2D材料/石墨纳米微片在分散体中的稳定性特别重要，因为如果它们从分散体中析出并在没有结合或包封在非空气传输物质中时干燥，它们容易变成空气传播的。空气中具有至少一个纳米尺度的石墨烯纳米片和/或石墨纳米片如果被吸入肺部，就认为可能会对人类和动物的健康造成损害。其他2D材料/石墨纳米微片的危害仍在评估中，但谨慎的做法是假设其他2D材料/石墨片会有类似的危害。

2D材料/石墨纳米微片具有高表面积和低官能度，其结果是历史证明它们非常难以被润湿和/或分散在水或水溶液中。而且，已知2D材料/石墨纳米微片一旦分散非常难防止聚集。

自从发现2D材料/石墨纳米微片及其性能以来，在非水溶液例如有机溶剂和水溶液中润湿和实现分散稳定性的改进方法一直是深入研究的主题。

形成良好分散体的参数在胶体科学领域中已得到很好的确立，任何胶体体系的自由能都由界面面积和界面张力决定。单层石墨烯的理论表面积约为2590m²·g^-1，因此其分散的条件范围有限，通常这些条件包括超声处理和使用极性非质子溶剂。

为了保持石墨烯/石墨纳米微片(其中石墨纳米微片是具有纳米级尺寸和10至20层以及横向尺寸在约100nm至100μm范围内的石墨纳米片)在分散体中一旦分散后的稳定性，需要产生能量位垒以防止那些纳米微片聚集。这可以通过静电或位阻排斥力来实现。如果能量位垒足够高，那么布朗运动将保持分散。这是通过使用一种或多种方法实现的，可以概括为：