Способ получения графена


 


Владельцы патента RU 2632688:

Жебелев Сергей Иванович (RU)

Изобретение может быть использовано в наноэлектронике. Частицы графита помещают в вакуум между электродами, при этом разность потенциалов устанавливают достаточной для электродинамического ожижения частиц и получения ими энергии, превышающей работу, необходимую для их раскола по плоскостям спайности на слои графена при хрупком разрушении во время ударов об электроды. Используют графит с плотностью 2,3·103 кг/м3, частицы которого имеют размер менее 1 мм. Изобретение позволяет повысить производительность получения графена высокой чистоты. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области производства углеродных наноматериалов, например графена, и может быть использовано для получения графена для применения в наноэлектронике.

Все известные в настоящее время методы получения графена являются длительными и дорогостоящими с малым выходом графена (Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А. и др. Графен: методы получения и теплофизические свойства. Успехи физических наук, 2011, т. 181, №3, с. 233-250).

Известен способ формирования графена путем расслоения графита (см. патент US 20130102084 А1, МПК С01В 31/04, H01L 51/00, H01L 51/42, опубл.: 25.04.2013), объединяющий ряд вариантов, предполагающих внедрение в пространство между атомными слоями графитового образца растворов солей металлов (Li, Al, Fe, Cu) в органических растворителях (пропиленкарбонат, N,N-диметилформамид, диметилсульфоксид). Ионы и органические молекулы растворителя расширяют пространство между атомными слоями, что обеспечивает возможность их разделения при воздействии внешней вынуждающей силы, которая может иметь электрохимическую, термическую, микроволновую, сольвотермальную, акустохимическую или акустическую природу.

Недостатком способа является низкая производительность вследствие большой длительности этапов его реализации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ получения графеновых частиц или хлопьев путем истирания твердого графита по грубой шероховатой поверхности, например по стеклянной поверхности, имеющей шероховатость от 0,01 до 10 pm. При трении происходит перенос графита на шероховатую поверхность с оставлением следов, которые представляют собой графеновый материал. Указанную поверхность затем подвергают обработке ультразвуком для отделения от нее графенового материала (WO 2011055039, кл. B82Y 30/00, 2011 г.).

Недостаток способа заключается в его малой производительности, т.к. способ требует постоянного прерывания процесса для отделения слоев графена с поверхности истирания для восстановления шероховатости и продолжения процесса истирания твердого графита.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение производительности процесса получения углеродных наноматериалов, в частности графена.

Данная задача решается за счет того, что заявленный способ получения графена путем расслоения графита отличается тем, что частицы графита подвергают электродинамическому ожижению в вакууме, при котором энергия графитовых частиц превышает работу, необходимую для их раскола при ударах частиц об электроды.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение производительности процесса получения графена.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В предлагаемом способе получения графена процесс производится в режиме электродинамического ожижения графитовых частиц в вакууме, причем создают условия, при которых энергия графитовых частиц превышает работу, необходимую для их разделения на слои при хрупком разрушении по плоскостям спайности, происходящем вследствие ударов частиц об электроды.

Способ осуществляют следующим образом. В качестве источника для получения графена используется графитовый порошок, частицы которого помещают в электрическое поле между двумя электродами, находящимися в вакууме, при разности потенциалов, достаточной для ожижения частиц (перемещении частиц между электродов с их перезарядкой на электродах), когда qU/d>mg, где q - заряд частицы, U - разность потенциалов электродов, d - межэлектродное расстояние, m - масса частицы, g - ускорение силы тяжести. При каждом пролете межэлектродного промежутка без сопротивления среды в вакууме частица приобретает энергию qU. При этом частицы испытывают точечные удары об электроды, что приводит к их хрупкому разрушению по плоскостям спайности, совершенной для графита, то есть по границам слоев графена. Необходимым условием для этого процесса является достаточность энергии, накопленной частицей перед ударом об электрод qU, для совершения работы по расколу частицы Esplit. Для выполнения этого условия регулируют величину U - разность потенциалов электродов. Последовательный раскол частиц и их частей приводит к тому, что конечным продуктом процесса являются одиночные листы графена. Условие проведения процесса в вакууме обеспечивает достаточную для раскола энергию частиц и чистоту продукта. Также следует отметить, что графен в свободном состоянии не имеет жесткости и сворачивается в комок. Однако в электрическом поле, имея заряд, лист графена разворачивается и пригоден к дальнейшей обработке (перемещению, разделению по размерам и другим операциям) в том же вакуумном пространстве. В неоднородном электрическом поле, например при непараллельных электродах, частицы перемещаются также в сторону меньшей напряженности поля. Поэтому для повышения производительности используют загрузку исходного материала в узкой части межэлектродного пространства и выгрузку продукта в его более широкой части.

Способ позволяет получать графен с высокой производительностью и чистотой продукта.

Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующим примером

Пример

Согласно (CRC Handbook of chemistry and physics. 86 h edition. 2005-2006) графит состоит из двумерных слоев графена с расстоянием между ними 0,3354 нм с энергией связи в слое графена 7,8 эВ/атом и значительно более слабыми связями между слоями 0,056 эВ/атом, определяемыми ван-дер-ваальсовыми силами. Величины энергии связи между слоями, полученные экспериментальным путем, лежат в интервале от 0,043 до 0,061 эВ/атом (Zacharia R., Ulbricht Н., Hertel Т. Interlayer cohesive energy of graphite from thermal desorption of polyaromatic hedrocarbones // Phys.Rev. 2004. V. B69. P. 155406). Двумерная решетка графена состоит из правильных шестиугольников со стороной dl=0,1418 нм и площадью (3)3/2⋅dl2=5,35⋅10-20 м2 по два атома углерода на ячейку. Тогда удельная энергия связи слоев на единицу площади поверхности раскола частицы равна

esplit=2⋅(0,056 эВ/атом⋅1,602⋅10-19 Дж/эВ)/5,35⋅10-20 м2=0,335 Дж/м2

Энергия, требующаяся для раскола частицы с площадью раскола Ssplit на две части, равна Esplit=2 Ssplit esplit, Дж.

Процесс электродинамического ожижения заключается в колебательном движении проводящих частиц между электродами при их перезарядке на электродах. При нахождении на электроде частицы приобретают заряд q, зависящий от напряженности поля U/d, при этом заряд пропорционален площади поверхности частицы. В вакууме, не испытывая сопротивления среды, двигаясь под действием силы qU/d, где U - разность потенциалов электродов, d - межэлектродное расстояние, частица приобретает энергию qU (Мяздриков О.А. Электродинамическое псевдоожижение дисперсных систем. Л.: Химия, 1984). Электропроводность графита по слоям близка к металлической, в то же время электропроводность поперек слоев в сотни раз меньше (Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А. и др. Графен: методы получения и теплофизические свойства. Успехи физических наук, 2011, т. 181, №3, с. 233-250). Поэтому заряженная частица графита является пачкой диполей (слоев графена), ориентированных по полю. При ударе частица испытывает напряжение сдвига, параллельное слоям графита. При достаточной энергии это приводит к расколу частицы. Так как заряд частицы q пропорционален площади поверхности частицы, а работа по расколу частицы пропорциональна площади ее сечения, отношение qU/Esplit не зависит от размера частицы и регулируется величиной U. Для осуществления раскола частицы необходимо, чтобы отношение энергии частицы перед ударом об электрод к энергии раскола (запас энергии) было больше единицы: qU/Esplit>1. Для сферических частиц q=2/3 π3r2ε0 U/d, где r - радиус частицы, ε0=8.85⋅10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость (там же). При расколе по максимальному сечению, то есть пополам, Ssplit=πr2 и запас энергии равен

qU/Esplit=(2/3π3r2ε0U2/d)/(2πr2esplit)=(1/3π2)(ε0U2/d)/esplit

Важно подчеркнуть, что это отношение не зависит от размера частиц, а зависит только от их формы (первый сомножитель). Для обычных условий электродинамического ожижения d=10-2 м и U=3⋅104 В запас энергии для сферических частиц равен 7,74. Для несимметричных частиц, например в форме полусферы, и зарядом q=3πr2ε0 U/d (там же) запас энергии составляет 3,6. Для тонких частиц, лежащих на электроде, у которых толщина много меньше других размеров, плотность заряда равна плотности заряда электрода ε0U/d, а заряд определяется площадью поверхности. Для тонких дисков q=πr2ε0 U/d. Соответственно запас энергии равен 1,19. Поскольку для тонких частиц величина поверхности близка в величине площади раскола, это значение будет таким же и для тонких частиц другой формы. При уменьшении толщины частиц в результате раскола меньше определенного предела при ударе они начинают терять продольную устойчивость, что приводит к напряжениям изгиба. Это еще более способствует расслоению частиц. Условие электродинамического ожижения qU/d>>mg выполняется для частиц, меньших 1 мм, при плотности графита 2,3⋅103 кг/м3. Таким образом у всех частиц любого размера и формы, меньших 1 мм, для принятых условий d=10-2 м и U=3⋅104 В достаточно энергии для раскола. Поэтому процесс проходит до конца, то есть до раскола частиц на одиночные слои. Следует отметить, что для разрушения частиц поперек слоев требуется на два порядка большая энергия. При учете сохранения части энергии при отскоке от электродов максимальная энергия частицы равна qU(1-k2), где k - коэффициент сохранения импульса при ударе (там же). Целесообразно также использование твердых электродов, для которых наблюдается большой коэффициент сохранения импульса при ударе. Это может поднять запас по энергии в два и более раза. Таким образом, предложенный способ позволяет повысить производительность получения графена из графита

1. Способ получения графена путем расслоения графита в вакууме, отличающийся тем, что для получения графена используют частицы графита, которые подвергают электродинамическому ожижению между электродами, разность потенциалов которых устанавливают достаточной для их электродинамического ожижения и получения частицами энергии при их перемещении между электродами, превышающей работу, необходимую для раскола частиц по плоскостям спайности при их ударах об электроды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют частицы графита размером менее 1 мм при его плотности 2,3⋅103 кг/м3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к катализатору для гетерогенного катализа, который содержит по меньшей мере смешанный оксид никеля и магния и магниевую шпинель, где смешанный оксид никеля и магния обладает средним размером кристаллитов ≤100 нм, фаза магниевой шпинели обладает средним размером кристаллитов ≤100 нм.

Изобретение может быть использовано в энергетической, нефтехимической, химической, металлургической отраслях промышленности. Способ получения водорода из газовых смесей, содержащих диоксид углерода, осуществляют путем его абсорбционного удаления абсорбентом на основе водных растворов аминов, способ включает процессы абсорбции диоксида углерода при повышенном давлении, расширения насыщенного абсорбента в турбине с получением механической энергии, регенерации насыщенного абсорбента при повышенной температуре и/или пониженном давлении с подводом тепла через кипятильник, рекуперации тепла горячего регенерированного абсорбента, сжатие регенерированного абсорбента насосом, охлаждение регенерированного абсорбента в холодильнике и подачу его в абсорбер, а также охлаждение парогазовой фазы, выделенной при регенерации абсорбента.

Изобретение относится к способу получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов при помощи кислорода, причем первый исходный поток, содержащий один или несколько углеводородов, и второй исходный поток, содержащий кислород, предварительно нагреваются отдельно друг от друга, смешиваются в соотношении массовых потоков из второго исходного потока и первого исходного потока, соответствующем кислородному числу λ, меньше или равному 0,35, причем под кислородным числом λ понимают соотношение из фактически присутствующего во втором исходном потоке количества кислорода и стехиометрически необходимого количества кислорода, которое требуется для полного сгорания одного или нескольких углеводородов, содержащихся в первом исходном потоке, посредством блока горелок (В) подаются в камеру сгорания (F), где происходит частичное окисление этих углеводородов с получением крекинг-газа, который после камеры сгорания относительно направления движения потока при помощи впрыскивания масла для гашения подвергается гашению до температуры от 200 до 250°С.

Изобретение относится к утилизации органических отходов, а именно к устройствам для их переработки путем пиролиза с получением генераторного газа, и может быть использовано для утилизации отходов заводов по производству риса и овса с получением аморфного кремнийсодержащего остатка.

Изобретение относится к установке получения водорода методом паровой конверсии углеводородного сырья и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к химической и фармацевтической промышленности и может быть использовано в медицине для лечения аллергии, астмы, дерматитов, ишемических болезней, радиационных поражений.

Изобретение относится к способу получения метанола, включающему комбинированную конверсию газообразных реагентов в синтез-газ, синтез метанола и отбор готового продукта.

Изобретение относится к нефте- и газохимии, а именно к способам получения углеводородов путем каталитической конверсии смеси, преимущественно содержащий СО, Н2. Получаемые при этом жидкие углеводородные фракции могут быть использованы в качестве топлив, в том числе автомобильных, характеризующихся высокой экологической чистотой.

Изобретение относится к химической промышленности и электротехнике и может быть использовано при изготовлении электродных материалов в химических источниках тока.

Изобретение относится к технологии комплексной переработки различных видов углеводородсодержащего сырья в расплаве металлов с получением в качестве промежуточного продукта смеси водорода и монооксида углерода (синтез-газа).
Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ получения нанокапсул гиббереллиновой кислоты в агар-агаре.

Изобретение относится к медицине, онкологии и химиотерапии, предназначено для определения давления в опухолях, что может быть использовано для оптимизации режимов проведения химиотерапии с целью повышения эффективности лечения, выбора терапевтического агента или их комбинации, корректировки доз назначаемых препаратов, оптимизации времени введения в течение суток.

Изобретение относится к области молочной промышленности и нанотехнологии. В кефир в процессе заквашивания вносят наноструктурированную добавку, включающую карбонат магния в каррагинане или в конжаковой камеди.

Группа изобретений относится к области фармацевтики и представляет собой наночастицу для подавления ретровирусной инфекции, содержащую по меньшей мере одно терапевтическое средство и по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество, где указанная наночастица является кристаллической, где указанное поверхностно-активное вещество покрывает кристалл указанного терапевтического средства, где указанное терапевтическое средство выбрано из группы, состоящей из атазанавира (ATV), эфавиренза (EFV), индинавира (IDV) и ритонавира (RTV), где указанное поверхностно-активное вещество является амфифильным блок-сополимером, где указанная наночастица получена с помощью мокрого размола или гомогенизации высокого давления и где указанная наночастица содержит по меньшей мере 95% терапевтического средства; композицию для подавления ретровирусной инфекции; способ лечения или подавления HIV-инфекции.

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул, и описывает способ получения нанокапсул сухого экстракта топинамбура в ксантановой камеди.

Изобретение относится к медицине и может бы использовано для формирования нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава. Для этого проводят следующие стадии: 1) подготавливают поверхность заготовки имплантата путем обезвоживания поверхности имплантата, с промывкой дистиллированной водой в ультразвуковой ванне; 2) изготавливают вспомогательное вещество, представляющее собой водную дисперсию белков и углеродных нанотрубок, при следующем количественном соотношении компонент (в мас.

Изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано для лечения рака яичников у индивидуума. При этом лечение включает: a) первое лечение, включающее введение индивидууму эффективного количества композиции, содержащей наночастицы, включающие паклитаксел и белок-носитель, и b) второе лечение, включающее лучевую терапию, где первое лечение проводят перед вторым лечением.

Изобретение относится к способу получения коллоидных растворов блоксополимера бутилакрилата и акриловой кислоты. Способ получения коллоидных растворов узкодисперсного по молекулярной массе амфифильного блоксополимера бутилакрилата и акриловой кислоты с узким распределением мицелл по размеру включает на первой стадии полимеризацию одного мономера в присутствии радикального инициатора и низкомолекулярного агента обратимой передачи цепи (ОПЦ-агента) и на второй стадии включает сополимеризацию полученного полимерного ОПЦ-агента со вторым мономером.
Изобретение относится к получению дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия. Способ включает введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля.

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и представляет собой полимерный вкладыш ацетабулярного компонента, который используется в эндопротезах тазобедренных суставов.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а более конкретно, к нанокомпозитным материалам с пленочным углеродсодержащим покрытием, получаемым осаждением ионов из газовой фазы углеводородов посредством ионно-стимулированного осаждения.Нанокомпозитный материал с биологической активностью включает подложку из биосовместимого полимера, преимущественно политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата, имеющую наноструктурированную поверхность в результате ее травления потоками ионов тетрафторметана до формирования среднеквадратичной шероховатости Rq величиной 5-200 нм, при этом рельеф поверхности подложки модифицирован углеродсодержащей наноразмерной пленкой, полученной ионно-стимулированным осаждением в вакууме из циклогексана.Новым является то, что модифицирующая углеродсодержащая пленка, которая получена при осаждении из плазмообразующей смеси тетрафторметана и циклогексана, дополнительно содержит фтор в массовом соотношении к углероду в диапазоне 0,5-1,3, а рельеф наноструктурированной поверхности подложки образован выступами, отстоящими между собой на расстоянии 0,3-1,0 мкм, высота которых, как минимум, вдвое превышает радиус их основания, причем модифицирующая пленка содержит фтор и углерод в следующем их массовом соотношении 32-55% и 65-42% соответственно.Предложенное техническое решение полностью исключило адгезию микроорганизмов на поверхности наноструктурированного материала, супергидрофобность которого достигнута за счет оптимизированного содержания фтора и углерода на заданном нанорельефе поверхности подложки, при этом полученная оптическая прозрачность материала в видимом спектральном диапазоне обеспечила пригодность для использования в политронике..
Наверх