超重力液相剥离法制备二维纳米材料研究

Two-dimensional nano material has excellent electric, magnetic, photic and mechanical properties, whose preparation and application is one of hottest research fields. The liquid exfoliation method is one kind of universal technology for the preparation of two-dimeneional nano material, which can exfoliate stratified material into two-dimensional nano material without or few defect. In order to improve the scale and efficiency of liquid exfoliation method, the liquid exfoliation method through high gravity technology to prepare two-dimensional nano material is presented innovatively in this proposal on the basis of the properties of Rotating Packed Bed of controllable, multiple and powerful shear and mixing, easily being scaled up and intensifying mass transfer and micromixing. It is anticipated that the affecting rules and affecting mechanisms of high gravity factor, filler property, filler volume, interlamellar acting force, interlamellar composition and interface energy in the systems of ionic liquid, organic solvent and aqueous solution containing surfactant or polymer are fully studied. And the CFD simulation of interaction between liquid and solid under high gravity environment is also preliminarily researched. After research and comprehensive analysis, the rues and mechanisms for preparing two-dimensional nano materials by liquid exfoliation method through high gravity technology are made clear and the theoretical basis is provided as an extensive, large-scale and high-efficiency method.

二维纳米材料具有优越的电、磁、光及机械性能，其制备和应用是目前最热的研究领域之一 。液相剥离法是从层状材料制备二维纳米材料平台性技术，可将层状材料在液相中剥离得到无或少缺陷的二维纳米材料。为了提高液相剥离法制备二维纳米材料的效率和规模，本项目依据超重力旋转床具有可控的强力多重剪切和混合作用及易规模放大、强化传质和微观混合的特性，创新性地提出超重力液相剥离法制备二维纳米材料的新技术。拟在离子液体，含水表面活性剂或聚合物及有机溶剂等不同体系中研究超重力水平、所用填料性质和填料体积的影响规律和机理，以及原料的层间作用力、层间成分及界面能的影响规律和机理，辅以进行超重力环境下液-固作用的CFD初步模拟研究。通过研究和综合分析，明晰超重力液相剥离法制备二维纳米材料的规律和机理，为超重力液相剥离法广泛用于高效规模制备二维纳米材料提供理论基础。

二维纳米材料在新材料领域占有非常重要的地位，是长期的研究热点，其低成本规模化制备方法的研究是其中的研究重点之一。液相剥离法是二维材料可规模化制备的一种重要方法。本项目围绕超重力液相剥离法制备二维纳米材料展开研究，重点研究了超重力技术、液相剥离体系、添加剂种类以及二维材料的种类、特点、预处理及改性方法等对剥离效果的影响规律和机理，对比研究了超声液相剥离法和高速液相剪切剥离法剥离二维材料的特征、异同、适应范围及机理，同时研究了获得的二维纳米材料在新能源、环境保护及功能材料领域的应用，等。通过本项目研究，获得授权国家发明专利6项，正在申请国家发明专利3项，发表Sci 论文 21 篇（标注），毕业博士生2人，毕业硕士生7人，在读博士生3人，硕士生6人。另外，与企业合作建有二维材料剥离中试生产线一条，通过一项认为达到国内先进水平的成果鉴定。并取得如下重要成果：.1.发明了三个重要的液相剥离制备二维纳米材料方法：超重力液相剥离法；高速剪切液相剥离法和球磨预处理联合液相剥离法。虽然这三个方法各有其优缺点和适用范围，但通过剥离设备、液相体系、助剂以及预处理方法的综合协调，可以适合大多数二维材料和不同用途的产品。这三种方法都有很好的产业化前景。.2.发现了一个适合产业化的，使用成本低，可调范围宽的二维材料剥离设备：高速剪切机。其剥离过程可产生强而可调的机械剪切力和强的流体作用力，再配以适宜的液相化学体系，可用于大多数二维材料的高效规模剥离。.3.发现了一种高性能的剥离助剂，即：具有两亲性的固体颗粒。这种助剂来源广，适用范围宽，对剥离体系影响小。用其不仅可以强化二维材料的剥离，获得高性能的二维纳米材料，还可以作为一种制备纳米复合材料的方法，方便地得到各种高性能的复合材料。.4.发现了一种良好的预处理方法，即：易分解盐辅助球磨法。该法成本低、可选择范围宽、具有很好的产业化前景。..............