[发明专利]一种低雷诺数下高效剥离二维材料的方法和装置

说明书

本发明涉及一种低雷诺数下高效剥离二维材料的方法，往溶剂中加入高分子和表面活性剂，到达完全溶解后再加入二维片状颗粒材料得到体相二维材料、高分子和表面活性剂的悬浮液；将悬浮液通过设有微流通道的微流芯片，悬浮液在微流通道内高速流动产生湍流，湍流中的涡流之间产生很高的剪切力，从而使体相二维材料剥离成单层或少层的二维材料。该方法克服了传统二维材料剥离过程中效率产率低，难以大规模生产等问题，同时可以在相对低的压力下，实现体相二维材料的高效剥离，是一种非常有前景的二维材料剥离方法。还涉及一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，属于材料加工制备领域。

技术领域

本发明涉及材料加工制备领域，具体地说是一种低雷诺数下高效剥离二维材料的方法和装置。

背景技术

包括石墨烯在内的二维材料以其优异且多样化的材料性能，在很多领域都有广阔的应用前景，包括传感器，场效应晶体管，激光器，电解水，电池和电容器领域等。大量的科学工作者在二维材料的研究和应用方面做了很多的研究，其中，二维材料的有效剥离是研究和工程应用二维材料的第一步，因为只有在单层或少层的情况下，二维材料很多优异的性能才可能显现出来。目前，常见的二维材料剥离的方法包括机械剥离，超声离心，研磨法等，但这些剥离方法都存在着一些问题，比如效率低，产率低，功耗大，难以大规模生产等，寻找一种高效节能，高产率的二维材料剥离方法一直是很多科学工作者研究的内容之一。剑桥大学石墨烯研究中心Andrea C.Ferrari团队曾将石墨烯水溶液在微流通道中，在高压高流速条件下，利用湍流惯性区中涡流间产生的强大的剪切力剥离石墨烯，得到了高浓度，100％产率的石墨烯单层溶液。但这种方法条件苛刻，需要在极高的压力下(2000个大气压)进行，实际操作中对实验条件要求高。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种低雷诺数下高效剥离二维材料的方法，该方法能在相对低的压力和雷诺数条件下，高效剥离得到包括石墨烯在内的二维材料。该方法克服了传统二维材料剥离过程中效率产率低，难以大规模生产等问题，同时可以在相对低的压力下，实现二维材料的高效剥离，具有良好的工业化应用前景。

本发明的另一目的是提供一种用于实现上述方法的低雷诺数下高效剥离二维材料的装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低雷诺数下高效剥离二维材料的方法，往溶剂中加入高分子和表面活性剂，到达完全溶解后再加入二维片状颗粒材料得到体相二维材料、高分子和表面活性剂的悬浮液；将悬浮液通过设有微流通道的微流芯片，悬浮液在微流通道内高速流动产生湍流，湍流中的涡流之间产生很高的剪切力，从而使体相二维材料剥离成单层或少层的二维材料。

优选地，高分子是指具有高分子量的水溶或有机溶剂溶解的柔性聚合物，作为体相二维材料悬浮液的湍流诱导剂，使体相二维材料悬浮液在较低的雷诺数下诱导产生湍流，从而实现高效剥离，得到单层或少层的二维材料。

优选地，表面活性剂是避免剥离后的单层或少层二维片状颗粒材料重新聚集的悬浮液稳定剂。

优选地，经微流通道剥离后的体相二维材料再次回流输送至微流通道再次进行剥离，循环剥离直至剥离成单层或少层的二维材料。

优选地，调整装置的多项参数和体相二维材料悬浮液的性质，调节Kolmogorov长度的大小，从而间接调节适用于湍流剥离二维材料的尺寸范围。

优选地，通过改变微流通道的结构形状，进而调节剥离条件。

一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，包括依次设置的微流芯片、冷凝装置和盛料装置，微流芯片上设有微流通道，还包括用于将体相二维材料悬浮液送入微流芯片的压力泵；体相二维材料悬浮液在微流通道中高速流动产生湍流，湍流中的小涡流之间的剪切力将体相二维材料剥离。

优选地，微流通道为一簇相互平行的直线通道。