[發明專利]一種二維片層材料垂直取向組裝體的制備方法

在審

• 申請號: 202110384324.X
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113044835A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 許震;高超;曹敏;劉英軍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;C01B32/21;C01B32/225;C01B32/23;C01F5/02;C01F7/02;C04B35/583;C01B21/072
• 代理公司: 杭州華宸聯名知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33352
• 代理人: 黃歡娣

本發明的提供一種二維片層材料垂直取向組裝體的制備方法，主要是通過調控相鄰劃痕的間距制備大面積高度垂直取向結構，同時可以獲得可控取向度的二維組裝體。通過本發明所述方法，可以對二維片層材料的取向結構進行精確設計和調控，可加快電容器、電池中的電解液傳輸性能，也可以進行高效垂直導熱，在太陽能水蒸發等能源的回收與利用等領域具有極高的價值。

技術領域

本發明屬于材料領域，具體涉及一種二維片層材料大面積垂直排列組裝體的調控方法及制備。

背景技術

二維片層材料具有優異的各向異性力學、電學、光學、熱學等理化性能，這些特性使二維片層材料在顯示屏、傳感器、高性能纖維、質子傳輸膜、熱管理等眾多領域成為研究的熱點和前沿。對于二維片層材料，除了其組成的化學元素差異外，其宏觀二維組裝體的力學、熱學等性能都主要受二維片層材料基元的取向結構影響。因此，如何精確調控和設計二維片層材料的取向制備高性能二維片層材料組裝體是亟待解決的問題。

目前，現有的二維片層材料取向調控方法有冰模板法、電場取向、磁場取向、化學氣象沉積等，往往工藝復雜、能耗巨大難于大面積連續化制備，難以滿足高精度、高效率的應用需求。具體缺點如下：

1.冰模板法是通過冰晶定向生長使二維片層材料沿著冰晶生長的方向取向，但是此方法僅適用低濃度的二維膠體，高濃度二維膠體由于內部粘滯阻力遠大于冰晶生長的取向力而無法取向。

2.高頻電場取向和高頻磁場取向需要極大的能耗，設備昂貴，工藝復雜。

3.化學氣象沉積可以原位生長二維片層墻，但是此方法嚴重依賴基底，生長的高度垂直的納米墻很難從基底剝離，限制了其進一步應用。

本發明的目的是針對現有的技術不足，提供一種高精度/低成本、高效率的制備大面積高度垂直取向的二維組裝體及其制備方法。公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

發明內容

本發明的目的在于提供一種二維片層材料垂直取向組裝體的制備方法，主要是通過調控相鄰劃痕的間距制備大面積高度垂直取向結構，同時可以獲得可控取向度的二維組裝體。通過本發明所述方法，可以對二維片層材料的取向結構進行精確設計和調控，可加快電容器、電池中的電解液傳輸性能，也可以進行高效垂直導熱，在太陽能水蒸發等能源的回收與利用等領域具有極高的價值。

具體的，本發明所述的調控方法為：將二維片層材料配置成0.5mg/g-400mg/g的膠體分散液，利用直徑在10-1000um的微針以0.001-2000毫米/秒的速度在膠體分散液中以間距x構建相同滑動方向的若干劃痕，干燥后得到高度垂直取向的二維片層組裝體；所述x，L為單一微針滑動在膠體分散液中產生劃痕的寬度。

當微針在二維膠體分散液中運動時，剪切力會誘導片層垂直排列，產生一定寬度的劃痕(L)。當相鄰劃痕的距離x遠大于L時（比如x≥10L），膠體分散液內部存在大量無取向區域，制備的二維片層組裝體取向度很低。隨著x逐漸減小，二維組裝體取向度逐漸提高。當相鄰劃痕的距離x遠小于時（x≤L），可以得到大面積、可連續化制備的高垂直取向二維片層材料組裝體。

在某些實施例中，所述的若干劃痕可以為單針多次滑動，也可以為排針多次劃取或者排針單次劃取。

為了達到更好的垂直取向度，x，更優選為：x。

本申請中，所述的二維片層材料至少包括：碳材料（氧化石墨烯、氧化石墨、膨脹石墨、可膨脹石墨、鱗片石墨等等）；陶瓷類材料（氮化硼等）；金屬氧化物類材料（氧化鋁、氧化鎂）、金屬氮化物類材料（氮化鋁等等）。所述的二維片層材料的膠體分散液不限于一種或者以上任意幾種的混合膠體分散液。

所述的針的移動軌跡包括垂直方向的上下運動和水平方向任意的滑動，也可以為圓周方向滑動等等。