[发明专利]二维碳材料

说明书

引言

本发明涉及一种连续的二维碳薄膜，以及制造该薄膜的工艺和该薄膜的用途。

发明背景

包括石墨烯、氧化石墨烯、石墨和氧化石墨在内的炭渣材料的广泛的商业潜力由于其卓越的电气性能、热学性能、化学性能和机械性能而被充分地记录。这些材料已经在如复合材料、能量储存和转换、传感器、药物递送、场发射器件和纳米级电子部件一样多样化的领域得到应用，并且其用途包括液体和气体过滤、气体储存、能量储存、电子设备、涂层和医疗应用。

氧化石墨烯可以由氧化石墨通过包括Hummers法的化学过程或氧化石墨分散到碱性溶液中来生产。石墨烯和氧化石墨烯片的官能化被广泛研究。

基于石墨烯的材料已经被研究了四十多年，包括剥落的氧化石墨烯层中的传输性质，在碳化硅和铜基底上生长的石墨烯。各种研究涉及使用化学改性的石墨烯(CMG)来制造新材料。在可用的策略中，剥离以形成氧化石墨烯层已经在氧化石墨烯的大规模生产中受到关切，但是面临生产具有可控厚度的剥离氧化石墨烯的挑战，并且单个薄膜或薄片的尺寸典型地限于几十至几百平方微米的面积尺寸。经由化学气相沉积生产大面积石墨烯已经导致高质量的氧化石墨烯，但是片在面积方面仍然受限并且对于薄膜或薄片放大规模大于几毫米²的面积的生产具有挑战性。

石墨烯的生产方法包括微机械裂解(micromechanical cleavage)、外延生长和涉及石墨的氧化-嵌入和剥离-还原的化学合成。据报告，从石墨经由氧化石墨烯的还原的化学合成途径大规模地获得了单层或几层的石墨烯。

炭渣材料的许多应用需要将其生产成具有小于20nm的厚度和大于10¹⁰纳米(nm)的面积除以厚度比(A/T)的连续的片材或片，并且需要其组装成三维结构。如上文所提出的，经济地大规模生产具有有用的尺寸和厚度的基于石墨烯的材料的片或片材仍然是具有挑战性的。

本发明是考虑到前述内容而设计的。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供了一种连续的二维碳薄膜，其中所述薄膜具有小于20nm的厚度以及大于10¹⁰nm的面积除以厚度比(area dividedby thickness ratio)(A/T)。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于制备如本文定义的连续的二维碳薄膜的工艺，该工艺包括以下步骤：

a)通过界面聚合工艺制备有机聚合物薄膜，所述薄膜具有小于100nm的厚度；和

b)使步骤a)中的有机聚合物薄膜经受碳化工艺。

根据本发明的第三方面，提供了一种通过本文定义的工艺可获得的、获得的或直接获得的连续的二维碳薄膜，其中所述连续的二维碳薄膜是如本发明的第一方面中所定义的或具有大于10⁸nm的面积除以厚度比(A/T)。

根据本发明的第四方面，提供了如本文定义的连续的二维碳薄膜用于气体储存和分离、作为电极材料的透明导电薄膜、复合材料(例如食品包装、塑料和避孕套)以及作为分离膜的用途。

根据本发明的另外的方面，提供了一种用于制备如本文定义的连续的二维碳薄膜的工艺，该工艺包括以下步骤：

a)提供已经通过界面聚合工艺制备的有机聚合物薄膜，所述薄膜具有小于100nm的厚度；和

b)使步骤a)中的有机聚合物薄膜经受碳化工艺。

根据本发明的另外的方面，提供了一种连续的二维碳薄膜，该薄膜具有小于20nm的厚度，大于0.0001cm²的面积和≤21kΩ/平方(kΩ/square)(例如0.6kΩ/平方-21kΩ/平方)的薄层电阻。

根据本发明的另外的方面，提供了一种连续的二维含碳纳米膜(carbonaceous nanofilm)，该含碳纳米膜具有小于20nm的厚度，大于0.0001cm²的面积和≤21kΩ/平方(例如0.6kΩ/平方-21kΩ/平方)的薄层电阻，并且具有以下原子组成：85％至98％的碳、1％至10％的氧和0.5％至6％的氮。

根据本发明的另外的方面，提供了一种层压体，该层压体包含两种或更多种本文定义的连续的二维碳薄膜或连续的二维含碳纳米膜，其中所述两种或更多种连续的二维碳薄膜或连续的二维含碳纳米膜以重叠或部分重叠的布置被提供。