Устройство для производства графена с различным количеством атомных слоёв

Изобретение относится к нанотехнологии. Устройство для получения графеновых пластин с различным количеством атомных слоёв содержит проточный реактор 2 с патрубком 4 подачи рабочей смеси, содержащей графит и воду, и выходным патрубком 5. В проточный реактор 2 интегрированы источник ультразвука 1 и сдвоенный центробежный насос 3, служащие для кавитационного воздействия на частицы графита в составе рабочей смеси сочетанием низких и высоких частот со значениями мощности не менее 100 Вт/см². Изобретение позволяет получить графеновые пластины с количеством атомных слоёв от 1 до 15. 1 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к устройствам кавитационного воздействия на различные минералы и может быть использовано для производства графена с различным количеством атомных слоёв.

Из уровня техники известны различные устройства для диспергирования в различных жидкостях. Так, в описании изобретения к патенту РФ № RU2081705C1, МПК B02C 19/18, принятом за наиболее близкий аналог, представлено устройство потокового ультразвукового диспергирования вязких лакокрасочных суспензий.

Решаемой задачей является обеспечение диспергирования компонентов вязких суспензий. Техническим результатом является возможность производства графеновых материалов с различным количеством атомных слоёв и с различной функциональностью.

Для достижения поставленного результата предлагается устройство для получения графеновых пластин с различным количеством атомных слоёв, содержащее проточный реактор с патрубком подачи рабочей смеси и выходным патрубком, при этом в проточный реактор интегрированы источник ультразвука и сдвоенный центробежный насос, служащие для кавитационного воздействия на частицы графита в составе рабочей смеси сочетанием низких и высоких частот со значениями мощности не менее 100 Вт/см².

Устройство содержит источник ультразвука с мощностью не менее 100 Вт/см³, который интегрирован в герметичный проточный реактор, обеспечивающий давление рабочей смеси реактора равное тройному значению акустического давления источника ультразвука. Рабочая смесь состоит из деионизированной воды, природного графита и добавок органических неполярных растворителей.

Устройство для диспергирования, как и в наиболее близком аналоге, содержит ультразвуковой волновод.

Основные отличия заявляемого устройства от близкого аналога заключаются в наличии сдвоенного центробежного насоса, интегрированного в проточный реактор соосно с источником ультразвукового излучение. Такое решение позволяет создавать необходимое рабочее давление раствора непосредственно в зоне максимальной мощности ультразвукового излучения. Отсутствие необходимости использования в заявленной группе изобретений окислителей и высоких температур даёт возможность получения графеновых пластин с высокой частотой по углероду до 99,9% и без дефектов графеновых пластин.

Изобретение иллюстрируется принципиальной схемой заявленного устройства (фиг.1), на которой следующими позициями обозначены:

1 - источник ультразвукового излучения;

2 - проточный реактор;

3 - сдвоенный центробежный насос;

4 - патрубок подачи рабочей смеси;

5 - патрубок выхода рабочей смеси после обработки.

Устройство работает следующим образом.

Через патрубок 4 раствор подаётся в сдвоенный центробежный насос для первичного кавитационного воздействия на низкой частоте, до 1000 Гц. Далее смесь под давлением, равным тройному значению акустического давления ультразвука, подаётся в проточную часть реактора. В этой части реактора обеспечивается воздействие ультразвука с мощностью не менее 100 Вт/см². Концентрация ультразвуковых волн обеспечивается конфигурацией проточной зоны реактора, объём и форма которой создаёт стоячие звуковые волны. Частота ультразвука составляет от 15 до 100 кГц в зависимости от требуемой глубины обработки частиц графита в рабочем растворе для получения графеновых пластин с различным количеством слоёв.

Нижеследующие примеры подтверждают возможность реализации заявленного изобретения.

Пример 1.

Готовится рабочая смесь воды и природного графита со средним размером частиц 300 меш в соотношении 90 и 10 частей. Полученную смесь пропускают через реактор со скоростью 100 литров в минуту при давлении 120 бар. В реакторе на рабочую смесь воздействуют ультразвуком с частотой 18,8 кГц. Результатом обработки является воднографеновая паста с толщиной графеновых пластин от 2 до 15 атомных слоёв.

Пример 2.

Рабочая смесь готовится из природного графита с размером частиц 200 меш и воды в соотношении 5 и 95 частей. Полученную смесь пропускают через реактор со скоростью 70 литров в минуту и при давлении 135 бар. В реакторе на рабочую смесь воздействуют ультразвуком с частотой 32 кГц. Результатом обработки является смесь воды и графеновых частиц со средней толщиной частиц от 1 до 5 атомных слоёв.

Устройство для получения графеновых пластин с различным количеством атомных слоёв, содержащее проточный реактор с патрубком подачи рабочей смеси, содержащей графит и воду, и выходным патрубком, отличающееся тем, что в проточный реактор интегрированы источник ультразвука и центробежный насос, служащие для кавитационного воздействия на частицы графита в составе рабочей смеси сочетанием низких и высоких частот со значениями мощности не менее 100 Вт/см².