[发明专利]金属氧化物和金属硫属化物以及混合金属氧化物与硫属化物的热力学溶液

说明书

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月3日提交的，名称为“金属氧化物和金属硫属化物以及混合金属氧化物与硫属化物的热力学溶液”的美国临时专利申请序列号No.61/448,970的权益，其全文通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于包括例如金属氧化物、金属硫属化物、混合金属氧化物和混合金属硫属化物溶质的大分子和纳米颗粒溶质的溶剂，以及使用这些溶剂制造制品和材料的方法。

背景技术

在鉴定有效溶剂以促进作为纳米晶和薄层状材料存在的金属氧化物、金属硫属化物、混合金属氧化物和混合金属硫属化物的均匀分散方面存在显著的兴趣。通常，这些“沙子(sand)”、粉末、大分子和纳米晶是不溶的、不可分散材料的经典实例，它们形成的粉末趋于以团簇(clump)存在，这进而减弱大分子和纳米晶的功能能力。大分子、晶体粉末和纳米晶的更均匀的分散可改进使用这些大分子的复合材料、溶液或表面涂层。

以往，在氧化物和硫属化物的情况下，开发了称作溅涂的方法以分散这些在被加热时不易蒸发的材料。在该方法中，作为通过赋能颗粒的轰击的结果，给定的氧化物或硫属化物从薄层靶(target)中释放并沉积在基材上。然而，该方法不适合很多制造方法，例如将这些大分子分散在基质形式的其它材料中以将这些大分子应用到不可适应高温的热塑性塑料等。溅射还是非常昂贵的，且需要高真空设备。本文描述的技术是溅射和溶胶凝胶技术的替代。

发明内容

本发明人已经确认了用于原本被认为在其原始(pristine)状态下不溶的金属氧化物、金属硫属化物、混合金属氧化物和混合金属硫属化物(包括矿物如粘土)的溶剂。该发现进而已经导致引入这些大分子的多种热力学稳定的液体、固体或凝胶基质材料和使用这些溶剂的方法的开发。

溶剂体系

本发明人已经确定了用于各种大分子包括金属氧化物、金属硫属化物、混合金属氧化物和混合金属硫属化物的高质量溶剂性质，其允许将这些化合物的纳米颗粒从大分子中提取出来。溶剂的例子包括：DMF、CPO、CHP、NMP、IPA、二甲苯及其混合物。

溶剂激活的(Solvent-Enabled)的产物

用于金属氧化物、金属硫属化物、混合金属氧化物和混合金属硫属化物的溶剂的发现已经实现了多种新应用，包括方法和产品两者。高效Li离子电池和超级电容电极(ultracapcitor elctrode)可由液体可溶解的TiO₂或其它金属氧化物与石墨烯的混杂材料制成。纳米线分散体可由液体可溶解的TiO₂纳米晶和纳米线制成。低雾度、自清洁且抗紫外线涂层可由液体可溶解的TiO₂制成。

附图说明

图1是显示二硫化钨的E_2g和A_1g峰的示例拉曼光谱；

图2是显示E_2g峰的采用不同技术制备的二硫化钨样品的拉曼光谱；

图3是显示A_1g峰的与图2类似的图；

图4是多层石墨烯(少数层石墨烯，few-layer graphene)的生产步骤的流程图；

图5是显示石墨烯在CHP溶剂中沉降速率的图；

图6是显示对于不同溶剂采用拉曼光谱法测定的多层石墨烯中的结构无序(structural disorder)的图；

图7是与图6类似的显示采用不同溶剂得到的石墨烯层厚的图；

图8是显示制备本发明的二氧化钛与石墨烯混合物的步骤的流程图；

图9是显示制备本发明的二氧化钛纳米线的流程图；

图10-12是对于不同溶剂的浊度对时间的绘图(plot)，其中图11和12的绘图具有延伸的纵轴；

图13是采用基于碳的材料(carbon predicate material)制备石墨烯与二氧化钛的电极的步骤的流程图；

图14是显示对于不同溶剂和锐钛矿TiO₂溶质的沉降速率的图；

图15是沉降时间常数对溶剂表面张力的图；

图16是对于采用CHP制备的不同二氧化钛膜的带隙能的绘图；

图17是图16的材料的带隙能对超声时间的绘图；

图18是显示二氧化钛在CHP中的溶液的热力学平衡的Debye绘图；和