堆疊的二維材料以及生產包含該材料的結構的方法技術

公開了包含第一片具孔二維材料以及設置在第一片具孔二維材料的表面與結構基底的表面和第二片具孔二維材料的表面中的至少一個之間的第一多個間隔件的結構，以及相關方法。所述結構還可以包含結構基底、第二多個間隔件，與所述第一片具孔二維材料和/或所述第二片具孔二維材料和/或結構基底表面中的形貌特征直接接觸的另外的具孔二維材料片。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉引用本申請基于35U.S.C.§119要求于2014年5月8日提交的美國臨時專利申請第61/990,204號和第61/990,561號的優先權，其通過引用整體并入本文。關于聯邦政府資助的研究和開發的聲明不適用。
本公開總體上涉及石墨烯、基于石墨烯的材料和其他二維材料。更具體地，本公開涉及含有堆疊的具孔石墨烯、基于石墨烯的材料或其他二維材料的結構，以及用于生產堆疊的結構的方法。專利技術背景石墨烯代表著其中碳原子存在于規則的晶格位置的原子級薄的碳層。在許多應用中，希望在石墨烯基面安置多個孔洞、開口或類似的穿孔。這類孔洞在本文中也被等價地稱為孔(pore)。其他二維材料可以含有類似的孔(perforation)，并以與石墨烯類似的方式用于應用。術語“具孔(perforated)石墨烯”或“具孔二維材料”在本文用于指在基面具有孔洞的片，無論所述孔洞是如何引入的。這類孔洞可以存在于單層石墨烯和幾層石墨烯(例如，少于10層石墨烯層但多于1層)，以及存在于相互堆疊的多片單層石墨烯或幾層石墨烯。雖然石墨烯和其他二維材料具有空前的機械強度，但仍然希望提供對二維材料的機械支承，以便支持許多常見的應用，例如過濾應用。在許多實例中，可以將石墨烯和其他二維材料置于光滑的結構基底上。結構基底可以通過分散位于其上的負載來減少高壓的影響。然而，由于石墨烯的原子級薄度，當將石墨烯轉移至基底時可對石墨烯造成損害。出現所述損害的形式可以為生成不希望的裂口或者石墨烯或其他二維材料中的其他缺陷。減少石墨烯損害(尤其是在操作條件下)的一個方式是使用具有非常光滑的表面拓撲學/形態學的結構基底。然而，保持高度孔隙度的光滑結構基底很少，并且二維材料片中的孔和基底中的孔之間的錯位降低了整體滲透性。綜上所述，提高包含二維材料和多孔支承基底的結構的滲透性的技術會具有巨大的益處。本公開滿足了這一需求，并且也提供了相關的優點。專利技術概述本文公開的結構和方法可以用于過濾和分離應用，以便選擇性地分離需要的和不需要的介質組分，例如，通過反滲透、納濾、超濾、微濾、正向滲透或滲透蒸發分離。公開的結構有利地將具孔、原子級薄的二維材料用作提供高滲透性、強度和抗污垢的活性過濾膜或分離膜。另外，所述結構形成為堆疊的多層構造，其相比簡單的、非堆疊的構造提供了諸多優點。例如，在一些堆疊的多層構造中，兩片或更多片具有隨機分布的選擇性孔和非選擇性孔的具孔二維材料重疊，以便片的表面相互直接接觸。這種構造通過減小或消除可以被相鄰的片覆蓋或“貼補”的非選擇性孔的影響而改善了結構的選擇性。在一些實施方案中，在單一或堆疊的二維片之間或在單一或堆疊的二維片與支承基底之間提供了間隔件層，從而提供了通過間隔件層的選擇性或非選擇性的流路。這種構造通過使介質能夠橫流而提高了結構的滲透性。對于一些應用，由本結構實現的滲透性增大允許支承基底具有比待使用的特定應用所需的更低的孔隙度/滲透性。并且，在支承基底的表面上存在間隔件可以降低基底表面粗糙度，以便可以使用過于粗糙而無法接受二維材料的基底。因此，本結構可以為過濾器應用中適合的基底材料提供改進的選擇性和/或擴展其范圍。一方面，結構包含第一片具孔二維材料，和設置在第一片具孔二維材料的表面與結構基底的表面和第二片具孔二維材料的表面中的至少一個之間的第一多個間隔件。在一些其中第一多個間隔件設置在第一片具孔二維材料的表面與第二片具孔二維材料的表面之間的實施方案中，所述結構還包含設置在第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料的另外表面上的結構基底。在一些實施方案中，第一多個間隔件設置在第一片具孔二維材料的表面與第二片具孔二維材料的表面之間，并且第二多個間隔件設置在結構基底的表面與第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料的另外表面之間。在一些實施方案中，任何一個先前描述的結構可以包括與所述第一片具孔二維材料和/或所述第二片具孔二維材料直接接觸的另外的一片或多片具孔二維材料。用于本結構和方法的適合的具孔二維材料包括但不限于那些來源于碳源的材料，以及基于氮化硼、硅、鍺的材料，和與諸如氧、硫、硒和碲的硫屬元素結合的過渡金屬。在一個實施方案中，第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料包含石墨烯或基于石墨烯的膜、過渡金屬二硫屬元素化物、α-氮化硼、硅烯、鍺烯、鍺烷、MXene(例如，M2X、M3X2、M4X3，其中M為諸如Sc、Ti、V、Zr、Cr、Nb、Mo、Hf和Ta的前過渡金屬，并且X為碳和/或氮)，或其組合。(參見，Xu等人(2013)，“Graphene-likeTwo-DimensionalMaterials”ChemicalReviews113:3766-3798；Zhao等人(2014)“Two-DimensionalMaterialMembranes”,Small,10(22),4521-4542；Butler等人(2013)“Progress,Challenges,andOpportunitiesinTwo-DimensionalMaterialsBeyondGraphene”,MaterialsReview,7(4)2898-2926；Chhowalla等人(2013)“Thechemistryoftwo-dimensionallayeredtransitionmetaldichalcogenidenanosheets”,NatureChemistry,vol.5,263-275；以及Koski和Cui(2013)“TheNewSkinnyinTwo-DimensionalNanomaterials”,ACSNano,7(5)3739-3743，其通過引用作為公開的二維材料并入本文)。在一個實施方案中，第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料具有小于或等于400nm、或小于或等于200nm、或小于或等于100nm的平均孔尺寸。在一個實施方案中，第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料具有選自4000埃至3埃、或2000埃至1000埃、或1000埃至500埃、或500埃至100埃、或100埃至5埃、或25埃至5埃、或5埃至3埃的平均孔尺寸。在一個實施方案中，根據待分離的分子來選擇孔尺寸。在一個實施方案中，第一片二維材料具有第一平均孔尺寸，并且第二片二維材料具有第二平均孔尺寸，其中第一平均孔尺寸與第二平均孔尺寸不同。在一個實施方案中，具有較小平均孔尺寸的第一片在具有較大平均孔尺寸的第二片的上游(更接近進料)。在一個實施方案中，第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料包含隨機分布的孔。在一個實施方案中，第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料的孔在孔的邊緣(peripheries)被化學官能化。在一些實施方案中，本文公開的結構包含促進二維片之間和/或二維片與支承基底之間的橫流的間隔件。例如，間隔件可以是以不連續的質量散布在表面的微粒或離散單元。在一個實施方案中，間隔件被隨機地定向和定位。在一些實施方案中，間隔件層具有選自5埃至10000埃、或1000埃至5000埃、或100埃至500埃、或5埃至100埃、或5埃至25埃、或4埃至8埃的厚度。在一個實施方案中，間隔件層具有基本均勻的厚度。例如，間隔件的均勻分布可以通過諸如噴涂或旋涂的溶液本文檔來自技高網...

【技術保護點】
結構，其包含第一片具孔二維材料和設置在所述第一片具孔二維材料的表面與結構基底的表面和第二片具孔二維材料的表面中的至少一個之間的第一多個間隔件。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.05.08 US 61/990,204;2014.05.08 US 61/990,5611.結構，其包含第一片具孔二維材料和設置在所述第一片具孔二維材料的表面與結構基底的表面和第二片具孔二維材料的表面中的至少一個之間的第一多個間隔件。2.如權利要求1所述的結構，其中所述第一多個間隔件設置在所述第一片具孔二維材料的所述表面與所述第二片具孔二維材料的所述表面之間，所述結構還包含設置在所述第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料的另外表面上的結構基底。3.如權利要求2所述的結構，其中所述第一多個間隔件設置在所述第一片具孔二維材料的所述表面與所述第二片具孔二維材料的所述表面之間，并且第二多個間隔件設置在所述結構基底的所述表面與所述第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料的所述另外表面之間。4.如前述權利要求中任一項所述的結構，其還包含與所述第一片具孔二維材料和/或所述第二片具孔二維材料直接接觸的另外的一片或多片具孔二維材料。5.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料包含石墨烯或基于石墨烯的膜、過渡金屬二硫屬元素化物、α-氮化硼、硅烯、鍺烯、MXene或其組合。6.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料具有小于或等于4000埃的平均孔尺寸。7.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料包含隨機分布的孔。8.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述第一片具孔二維材料或第二片具孔二維材料的孔在所述孔的邊緣被化學官能化。9.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件隨機地定向和定位。10.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件層具有選自5埃至10000埃的厚度。11.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件層具有基本均勻的厚度。12.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件層具有不均勻的厚度。13.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件具有0.5nm至200nm的平均尺寸。14.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件的平均面密度為每μm22000至每μm21。15.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件附著于第一片具孔二維材料和/或第二片具孔二維材料。16.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件包含納米顆粒、納米管、納米纖維、納米棒、納米結構或其組合。17.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件選自單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳納米結構、富勒烯、碳納米角及其組合。18.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述間隔件層具有小于或等于50nm的平均表面粗糙度。19.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述結構基底包含多孔聚合物或多孔陶瓷。20.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述結構基底具有小于或等于500μm的厚度。21.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述結構基底具有1μm至500μm的厚度。22.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述結構基底具有大于或等于3％的孔隙度。23.如前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述結構基底具有3％至75％的孔隙度。24.如前述權利要求中任一項所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：肖恩·P·弗菜明，彼得·V·拜德沃斯，小大衛·F·凱西，斯科特·E·海斯，馬修·M·卡普蘭齊克，史蒂文·W·西恩特，蘭德爾·M·斯蒂爾伯格，雅各布·L·斯維特，大衛·B·圖羅夫斯基，劉晗，
申請(專利權)人：洛克希德馬丁公司，
類型：發明
國別省市：美國;US