[发明专利]一种二维材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：采用包括粘度改良介质、溶剂的原料混合配制改良流体；而后将层状原料粉体与改良流体混合均匀制得混合膏体；再对混合膏体进行高速剪切处理，而后进行固液分离；其中，粘度改良介质选自单糖、多糖、聚合物、有机脂中的至少一种；改良流体在25℃下的粘度为20～5000mPa·s，且其在25℃、10000rpm转速下搅拌处理1h后的粘度相比于搅拌前下降0～50％。通过以上方法，在高速剪切过程中，具有特定粘度特性的改良流体所构建的混合膏体环境可缓冲高速转动的机械力，避免片层材料被机械冲击力粉碎；制备过程中可保持体系的粘度稳定，保证高粘度膏体体系对二维材料的强作用力，实现大尺寸二维材料的连续、高效制备。

技术领域

本发明涉及二维材料制备技术领域，尤其是涉及一种二维材料及其制备方法和应用。

背景技术

自石墨烯被成功地制备之后，其许多优异的物理性质得到了理论及实验上的验证，并成功推动了石墨烯研究的整体发展。随后，研究者们在其他二维层状材料，如六方氮化硼、过渡金属硫族化物、MXene、层状金属氧化物等基础上，制备了多种新型二维材料。相较于传统的体相材料，这些新型二维材料有着许多优异的性质。除此之外，相较于石墨烯所拥有的半金属性质，新型二维材料可依据材料的选择具有金属、半导体、绝缘体等不同性质，从而在热管理、复合物材料、光电传感器、储能器件等领域均有着潜在的应用。例如六方氮化硼同时具有高绝缘性和高导热特性，使其具有解决电子器件散热问题的潜力；又例如作为金属态的半导体的1T-MoS₂和MXene等材料，在具有高能量密度的超级电容器方面具有广阔的发展空间。二维材料是一系列具有广阔应用前景的开创性材料，在微尺度新材料的研究和应用领域有着重要的意义。

长期以来，二维材料的规划化应用很大程度上受到其工业化制备的制约。2004年，曼彻斯特大学安德烈海姆实验室首次使用胶带对石墨进行机械剥离从而获得了单层的石墨烯。在后续的研究中，化学气相沉积法被发现可以在特定的基底上制备高质量的二维材料，且被广泛地研究，但是该工艺的制备成本较高，仅适合如光电传感器、柔性导电薄膜等较为精细的应用场景，相对发展空间受到一定的限制。2008年，J.Coleman团队通过使用液相剥离法制备可加工的二维材料作为一种普世的加工工艺，为后续二维材料基宏观材料的发展奠定了坚实的基础。在未来的十年中，液相剥离法成为二维材料制备最主要的方法之一。但是，液相剥离法仍旧有许多尚未克服的问题，其中，液相剥离法主要是通过使用一定的机械力处理液体中所分散的二维材料，而机械力对二维材料的作用方式从一定程度上是不受控制的，从而难以得到片径大且厚度小的二维材料。

现有传统的液相剥离工艺主要有超声剥离法、湿法球磨、高速剪切工艺、高压均质处理等，其中，高速剪切工艺是被认为最具有规模化生产潜力的工艺之一。高速剪切工艺的原理是通过对二维层状材料分散液的高速搅拌所产生的高剪切力对二维材料实现剥离。当高速搅拌所产生的线速度越高、二维材料所受到的剪切力也会相对地提高。除此之外，当分散液地粘度在一定合适地范围内，也能造成二维材料局部的受压剪切，从而实现其高效制备。但是，高速剪切工艺仍然存在几个尚未解决的问题，首先是高速剪切工艺主要是通过转子的高速转动所产生的剪切力，在材料碰撞到转子时，除了剪切力也存在着较强的冲击力，从而导致一般使用高速剪切工艺所制备的二维材料尺寸较小；其次，高速剪切装置对分散液实现的作用力仍主要局限在转子周围，所以高速剪切法制备二维材料的产率也并不理想。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种二维材料及其制备方法和应用。

本发明的第一方面，提出了一种二维材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用包括粘度改良介质、溶剂的原料混合配制改良流体；所述粘度改良介质选自单糖、多糖、聚合物、有机脂中的至少一种；所述改良流体在25℃条件下的粘度为20～5000mPa·s，优选为50～500mPa·s，且所述改良流体在25℃、10000rpm转速下搅拌处理1h后的粘度相比于搅拌前所述改良流体的粘度下降0～50％，优选0～20％；