本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種用液相剝離法制備二維材料的裝置和方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，液相剝離法是二維材料制備的重要手段，該方法的原理是通過(guò)利用超聲波粉碎作用將分散在有機(jī)溶劑中的層型塊狀晶體材料中層與層之間的范德華力打破，從而得到單層或少層的二維材料。然而在實(shí)際應(yīng)用中，單純采用超聲波粉碎并不能非常有效地將晶體層與層之間的范德華力打破，使得所得產(chǎn)物原子層數(shù)多、層厚均勻性差，從而造成二維材料的產(chǎn)量低。

同時(shí)，在剝離過(guò)程中，超聲波破碎過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱能會(huì)導(dǎo)致溶液溫度上升，在一定程度上會(huì)影響剝離的效果。

此外，尤其是在少層或單原子層厚的易被氧化的二維材料制備過(guò)程中，如容器內(nèi)存在空氣、水汽等，則容易使制備的二維材料氧化生成相應(yīng)的氧化物，生成的氧化物粘附在二維材料表面或溶解在剝離溶劑中，也會(huì)影響二維材料的產(chǎn)量和質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，在于提供一種液相剝離法制備二維材料的裝置和方法，利用本發(fā)明的裝置和方法，可以制備獲得原子層數(shù)少、層厚均勻性好的高質(zhì)量二維材料。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一方面，本發(fā)明提供一種液相剝離法制備二維材料的裝置，包括：

容器罐，其用于盛裝層型塊狀晶體材料和剝離溶劑；

超聲波破碎工作頭，其可置于所述容器罐中，對(duì)容器罐中的晶體材料進(jìn)行超聲波破碎；

高剪切均質(zhì)裝置，其可置于所述容器罐中，對(duì)容器罐中的晶體材料進(jìn)行高速剪切；

所述超聲波破碎工作頭以及高剪切均質(zhì)裝置可被同時(shí)用于對(duì)容器罐中的晶體材料進(jìn)行作用。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述容器罐設(shè)置于一恒溫槽中，所述恒溫槽具有加熱和制冷功能，并且所述恒溫槽高度可調(diào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)恒溫槽中容器罐高度。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，還包括一隔音箱，所述恒溫槽以及容器罐均位于該隔音箱內(nèi)，所述恒溫槽連接在隔音箱內(nèi)的升降結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)在隔音箱內(nèi)的高度調(diào)節(jié)。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，還包括一與容器罐連接的真空系統(tǒng)，可用于對(duì)容器罐進(jìn)行抽真空的操作，使得容器罐內(nèi)形成真空環(huán)境。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，還包括一與容器罐連接的氣體保護(hù)裝置，用于向容器罐內(nèi)充入保護(hù)氣體，，所述氣體保護(hù)裝置包括氣體瓶、將氣體瓶與容器罐相連的氣體管道以及對(duì)管道進(jìn)行控制的電磁閥。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述容器罐還設(shè)有配套的容器蓋，所述容器蓋上設(shè)有可供超聲波破碎工作頭主軸和高剪切均質(zhì)裝置主軸穿過(guò)的孔，容器蓋可通過(guò)快換螺栓和容器罐上的固定架鎖緊，所述容器蓋通過(guò)密封圈可與容器罐實(shí)現(xiàn)氣密性連接，所述容器蓋、密封圈、快換螺栓、固定架與容器罐組成容器裝置。

又一方面，本發(fā)明提供一種液相剝離法制備二維材料的方法,包括如下步驟：

將層型塊狀晶體材料和剝離溶劑置于容器罐內(nèi)；

聯(lián)合使用超聲波破碎工作頭和高剪切均質(zhì)裝置對(duì)容器罐內(nèi)的晶體材料進(jìn)行作用；

獲取二維材料。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在制備過(guò)程中，保持容器罐內(nèi)溶液的溫度恒定。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，將層型塊狀晶體材料和剝離溶劑置于容器罐后，對(duì)容器罐內(nèi)進(jìn)行抽真空的處理，使得容器罐內(nèi)形成真空環(huán)境。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在對(duì)容器罐內(nèi)進(jìn)行抽真空的處理后，再向容器罐內(nèi)充入保護(hù)性氣體。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明用液相剝離法制備二維材料的裝置和方法，聯(lián)合使用超聲波破碎工作頭與高剪切均質(zhì)裝置對(duì)層型塊狀晶體材料進(jìn)行破碎剝離，利用超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和高剪切均質(zhì)裝置產(chǎn)生的離心擠壓、液力剪切等多重復(fù)合作用，相較于現(xiàn)有的超聲波破碎工作頭單獨(dú)作用的方式，能夠更有效地打破晶體材料層與層之間的范德華力，獲取到單層或少層且厚度均勻性好的高質(zhì)量二維材料，大大提高二維材料的制備效率。

同時(shí)，本發(fā)明的裝置和方法配置的真空系統(tǒng)和氣體保護(hù)裝置，能夠有效地避免空氣的氧氣、水汽等對(duì)獲得的二維材料的氧化作用，恒溫槽能夠?qū)⒄麄€(gè)制備過(guò)程控制在恒定的溫度范圍內(nèi)，整體上提高了二維材料剝離的效率與質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的液相剝離法制備二維材料的裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的液相剝離法制備二維材料的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進(jìn)行清楚、完整地描述，以充分地理解本發(fā)明的目的、特征和效果。顯然，所描述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其他實(shí)施例，均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。另外，專利中涉及到的所有聯(lián)接/連接關(guān)系，并非單指構(gòu)件直接相接，而是指可根據(jù)具體實(shí)施情況，通過(guò)添加或減少聯(lián)接輔件，來(lái)組成更優(yōu)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的各個(gè)技術(shù)特征，在不互相矛盾沖突的前提下可以交互組合。

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的液相剝離法制備二維材料的裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖，請(qǐng)參照?qǐng)D1，該裝置包括超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2、容器裝置3、恒溫槽4、真空系統(tǒng)5、氣體保護(hù)裝置6、隔音箱7以及控制器8。

如圖1所示，在本實(shí)施例中，容器裝置3首先包括容器罐31，該容器罐31優(yōu)選為一個(gè)頂部開(kāi)口的器皿，超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2自上向下豎向設(shè)置，通過(guò)調(diào)整容器罐31的位置，可使得超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2伸入到容器罐31內(nèi)，當(dāng)然，將容器罐31固定，調(diào)整超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2的高度也是可行的。

容器罐31用來(lái)盛裝剝離溶劑和層型塊狀晶體材料，其中層型塊狀晶體材料是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單研磨處理的，而剝離溶劑也視晶體材料的種類進(jìn)行選擇，不同的晶體材料所需的剝離溶劑是不同的。超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2作用于其中的層型塊狀晶體材料，制備二維材料。聯(lián)合使用超聲波破碎工作頭1與高剪切均質(zhì)裝置2對(duì)層型塊狀晶體材料進(jìn)行破碎剝離，能夠更有效地打破晶體材料層與層之間的范德華力，大大提高二維材料的制備效率，同時(shí)，由于破碎更加充分，獲得層數(shù)更少、層厚更加均勻的二維材料，制備所得的二維材料的質(zhì)量得到提高。本實(shí)施例中，對(duì)于超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2的數(shù)量、具體結(jié)構(gòu)以及相互的位置關(guān)系等均不作任何限定。

本實(shí)施例中，容器裝置3還包括與容器罐31配套的容器蓋32，可與容器罐31形成氣密性連接。在這種情況下，為了使得超聲波破碎工作頭1和高剪切均質(zhì)裝置2能夠作用于容器罐31內(nèi)的晶體材料，該容器蓋32上設(shè)有可供超聲波破碎工作頭1主軸和高剪切均質(zhì)裝置2主軸穿過(guò)的孔。在容器蓋32的底部，具有一和容器罐31頂部凸緣適配的卡槽33，在該卡槽33中設(shè)置有密封圈，這樣，當(dāng)容器蓋32蓋合到容器罐31上時(shí)，即可通過(guò)該密封圈實(shí)現(xiàn)容器罐31的氣密性連接。同樣，超聲波破碎工作頭1主軸、高剪切均質(zhì)裝置2主軸與所述容器蓋32之間也形成密封。此外，優(yōu)選可通過(guò)快換螺栓34和容器罐31上的固定架35將容器蓋32鎖緊到容器罐31上，保持容器罐31密封，使用結(jié)束后，只需將快換螺栓34的螺母松開(kāi)，即可取下容器罐31，經(jīng)后續(xù)處理獲得二維材料。

上述的容器蓋32、密封圈33、快換螺栓34、固定架35與容器罐31共同組成容器裝置3。

容器罐31下方設(shè)有恒溫槽4，容器罐31通過(guò)一容器固定架(圖中未示出)置于恒溫槽4中，恒溫槽4帶有溫度控制系統(tǒng)，具有制冷和加熱的功能,可以分散超聲波破碎工作頭1和高剪切均質(zhì)裝置2在工作過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱能，保持溫度恒定，優(yōu)化剝離效果，使得獲得的二維材料的質(zhì)量更好。該固定架是可調(diào)節(jié)的，從而可以適用不同規(guī)格的容器罐31。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，恒溫槽4是高度是可調(diào)的，從而使得容器罐31隨恒溫槽4的同步實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)，以調(diào)整超聲波破碎工作頭1和高剪切均質(zhì)裝置2相對(duì)于容器罐31的垂直位置，從而方便容器罐31的放置和取下。

本實(shí)施例中，所述的恒溫槽4通過(guò)一升降結(jié)構(gòu)安裝到隔音箱7內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)其高度調(diào)節(jié)。隔音箱4箱體包含了隔音棉、隔音門(mén)等，用于隔絕超聲波破碎工作頭1和高剪切均質(zhì)裝置2工作時(shí)產(chǎn)生的噪音，同時(shí)，也可以對(duì)容器罐31等裝置進(jìn)行保護(hù)。所述的升降結(jié)構(gòu)可以是滑塊導(dǎo)軌組件，例如，在隔音箱4的內(nèi)壁上豎向設(shè)置一導(dǎo)軌71，在恒溫槽4上設(shè)置與該導(dǎo)軌相適配的滑塊，通過(guò)該滑塊在導(dǎo)軌71上的滑動(dòng)，帶動(dòng)恒溫槽4升降以調(diào)節(jié)其高度。當(dāng)然，升降結(jié)構(gòu)也可以是任何其它的可以實(shí)現(xiàn)升降的已知結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，真空系統(tǒng)5通過(guò)空氣管道與容器裝置3連通，容器蓋32上設(shè)有可供真空系統(tǒng)5空氣管道穿過(guò)的小孔。當(dāng)真空系統(tǒng)(例如真空泵)工作時(shí)，可將容器裝置3內(nèi)的空氣抽出，使容器裝置3內(nèi)形成真空環(huán)境，不會(huì)有空氣、水分等對(duì)經(jīng)剝離的二維材料產(chǎn)生氧化作用。

在本實(shí)施例中，氣體保護(hù)裝置6包括電磁閥61和氣體瓶62，氣體瓶62視具體情況盛裝氮?dú)?、氬氣等不同的保護(hù)氣體，氣體保護(hù)裝置6通過(guò)氣體管道與容器裝置連通，容器蓋32上設(shè)有可供氣體保護(hù)裝置6的氣體管道穿過(guò)的小孔，同時(shí)，隔音箱7的箱體上設(shè)有可供真空系統(tǒng)5空氣管道和氣體保護(hù)裝置6氣體管道穿過(guò)的小孔。當(dāng)氣體保護(hù)裝置工作時(shí)，電磁閥61開(kāi)啟，將保護(hù)氣體充入真空的容器裝置3中，充氣動(dòng)作完成，電磁閥62關(guān)閉，使容器裝置3內(nèi)形成更加穩(wěn)定的保護(hù)氣體氛圍。

抽真空系統(tǒng)以及氣體保護(hù)裝置的設(shè)置有效防止了制備的二維材料氧化生成相應(yīng)的氧化物粘附在二維材料表面或溶解在剝離溶劑中，提高了二維材料的產(chǎn)量和質(zhì)量。

在本實(shí)施例中，控制器8分別與上述的超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2、恒溫槽4升降結(jié)構(gòu)、真空系統(tǒng)5以及氣體保護(hù)裝置6相連，是整個(gè)裝置的控制集成，可以一個(gè)控制面板上實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波破碎工作頭1、高剪切均質(zhì)裝置2、恒溫槽4的高度調(diào)節(jié)、真空系統(tǒng)5以及氣體保護(hù)裝置6的控制，使整個(gè)裝置的控制集成化，更加簡(jiǎn)便、快捷。

本實(shí)施例的液相剝離法制備二維材料的裝置的使用方法如下：操作中首先將稍微研磨的層型塊狀二維材料(如石墨、黑磷、硫化鉬、硫化鎢、氮化硼等)晶體和剝離用溶劑加入到容器罐31，通過(guò)快換螺栓34和密封圈將容器罐31和容器蓋32進(jìn)行密封連接。在控制器8上開(kāi)啟恒溫槽4的升降系統(tǒng)，將恒溫槽4調(diào)至合適的高度，并將容器罐31固定好。在控制器8上開(kāi)啟真空系統(tǒng)5，待抽真空結(jié)束后，開(kāi)啟氣體保護(hù)裝置6，使容器罐31充滿保護(hù)氣體(例如氬氣)。設(shè)定恒溫槽4的溫度系統(tǒng)，關(guān)上隔音箱7的隔音門(mén)。待恒溫槽4的溫度穩(wěn)定后，通過(guò)控制器8設(shè)置相關(guān)的參數(shù)(包括運(yùn)行時(shí)間、超聲功率、剪切轉(zhuǎn)速等)開(kāi)啟超聲波破碎工作頭1和高剪切均質(zhì)裝置2，開(kāi)始二維材料剝離操作。待超聲波破碎工作頭1和高剪切均質(zhì)裝置2運(yùn)行到設(shè)定時(shí)間停止后，將容器裝置上的快換螺栓34上的螺母松開(kāi)，將恒溫槽4高度降低，取下容器罐31，然后將溶液轉(zhuǎn)至離心管進(jìn)行離心分離，即可獲得二維材料。

圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的液相剝離法制備二維材料的方法的流程圖，參考圖2，其包括如下步驟：

將層型塊狀晶體材料和剝離溶劑置于容器罐內(nèi)；

聯(lián)合使用超聲波破碎工作頭和高剪切均質(zhì)裝置對(duì)容器罐內(nèi)的晶體材料進(jìn)行作用；

獲取二維材料。

在本實(shí)施例中，在上述過(guò)程中，保持容器罐內(nèi)溶液的溫度恒定，可以分散超聲波破碎工作頭1和高剪切均質(zhì)裝置2在工作過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱能，優(yōu)化剝離效果。

在本實(shí)施例中，在將層型塊狀晶體材料和剝離溶劑置于容器罐后，先對(duì)容器罐內(nèi)進(jìn)行抽真空的處理，使得容器罐內(nèi)形成真空環(huán)境。不會(huì)有空氣、水分等使經(jīng)破碎的二維材料產(chǎn)生不利影響。更優(yōu)選的，在對(duì)容器罐內(nèi)進(jìn)行抽真空的處理后，再向容器罐內(nèi)充入保護(hù)性氣體，防止破碎的二維材料氧化產(chǎn)生缺陷。

經(jīng)制備黑磷二維材料模擬實(shí)驗(yàn)可得，采用本發(fā)明的裝置和方法可以有效地增強(qiáng)破碎的效果，制備到的二維材料質(zhì)量較佳，層數(shù)少且均勻，基本沒(méi)有出現(xiàn)被氧化情況。

以上是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。