BR112021012136B1

BR112021012136B1 - Método para produzir um grafeno ou material semelhante ao grafeno

Info

Publication number: BR112021012136B1
Application number: BR112021012136-6A
Authority: BR
Inventors: Marion L. Chiattello; Mark Oman
Original assignee: Performance Nanocarbon,Inc.
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2023-10-31
Also published as: AU2019403434B2; BR112021012136A2; JP2022508411A; KR102341186B1; CA3124118A1; EP3897951A1; CN113573802A; KR20210113243A; EP3897951A4; WO2020132539A1; JP7090811B2; SG11202106688SA; US20220064004A1; AU2019403434A1; MX2021007461A; US11332373B2

Abstract

método para produzir um material de carbono sólido. um método para produzir um material de carbono sólido compreende: distribuir um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em uma região de reação de um reator; distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de reação do reator; e induzir uma reação química entre o pelo menos um composto orgânico líquido e o pelo menos um composto orgânico gasoso, em que: a reação química ocorre na região de reação do reator; o material de carbono sólido é feito por meio da reação; o material de carbono sólido é feito durante a reação na forma de uma dispersão compreendendo o material de carbono sólido disperso no líquido; e a reação química é uma reação homogênea compreendendo nucleação homogênea do material de carbono sólido na região de reação do reator.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica o benefício e a prioridade do Pedido Provisório dos EUA No. 62/783.713, depositado em 21 de dezembro de 2018, e do Pedido Provisório dos EUA No. 62/926.283, depositado em 25 de outubro de 2019, cada um dos quais é aqui incorporado por referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] O grafeno é usado em uma ampla gama de aplicações, incluindo tintas e revestimentos anticorrosivos, eletrônicos, painéis solares, administração de medicamentos, baterias e filtros de água. No entanto, um desafio significativo para a comercialização de grafeno é a falta de métodos confiáveis de produção em massa para produzir grafeno de baixo custo e alta qualidade. Os vários métodos de produção de grafeno podem ser classificados em abordagens de cima para baixo e de baixo para cima. Por exemplo, os métodos convencionais de cima para baixo incluem: (i) grafeno quimicamente convertido (redução de óxido de grafeno), (ii) esfoliação eletroquímica e (iii) esfoliação em fase líquida (LPE) na presença ou ausência de tensoativos. As abordagens baixo para cima incluem: (i) estruturas de grafeno sintetizadas a partir de precursores orgânicos de pequenas moléculas por deposição de vapor químico catalítico (CVD), (ii) síntese orgânica e (iii) crescimento epitaxial em SiC ou outros substratos.

[003] Entre esses processos, a redução química de cima para baixo do óxido de grafeno esfoliado (GO) é talvez a estratégia mais comum para a produção de grafeno a granel. Este método corresponde a uma conversão química da grafite. O processo consome muito tempo (por exemplo, cerca de 5 horas), normalmente requer o uso de produtos químicos prejudiciais caros, como ácido sulfúrico, ácido nítrico e permanganato de potássio, e consome muita energia (por exemplo, requer altas temperaturas variando de 800 °C a 1050 °C). Além disso, o processo não é eficiente. Os ácidos fortes consomem até 20 a 50% da grafite semente. O processo requer uma etapa tediosa de lavagem e purificação que produz grandes quantidades de águas residuais que precisam ser tratadas adequadamente. As plaquetas GO requerem mais tratamentos de redução química para reduzir o teor de oxigênio. Esta redução produz óxido de grafeno reduzido (rGO). O procedimento de redução geralmente envolve o uso adicional de produtos químicos tóxicos, como a hidrazina. Mesmo após a redução, o grafeno está longe de ser puro. Os métodos de pós-produção para reduzir GO a rGO não removem completamente o oxigênio introduzido pelo processo de oxidação forte. Os grupos de oxigênio restantes podem ser considerados uma forma de defeitos químicos. Além disso, a remoção do oxigênio normalmente resulta na formação de defeitos físicos na forma de espaços vazios e danos nas bordas.

[004] A maioria dos processos mencionados acima não cria grafeno pristino (isto é, puro). O grafeno puro são plaquetas de grafeno de uma ou poucas camadas que estão livres de defeitos químicos e físicos. Ambos os defeitos deterioram as propriedades térmicas exclusivas necessárias para aplicações de transferência de calor, bem como as propriedades elétricas necessárias em aplicações de microeletrônica e armazenamento de energia. Defeitos químicos típicos são grupos funcionais de oxigênio que residem na superfície ou nas bordas das plaquetas de grafeno, que diminuem significativamente a condutividade térmica do grafeno. Por exemplo, mesmo um teor de oxigênio de 5% reduzirá a condutividade térmica do grafeno em 95% (por exemplo, ver, Xin Mu et al., Sci. Reports, 4: 3909; DOI: 10.1038/srep03909). Os defeitos químicos também reduzem a condutividade elétrica do grafeno. GO com até 35% de oxigênio atua como isolante e não como condutor. Os defeitos físicos incluem buracos e espaços vazios no plano e nas bordas das plaquetas de grafeno. Esses buracos e lacunas impedem o fluxo livre de calor e elétrons através do plano do grafeno. Defeitos físicos geralmente são criados no processo de produção ou no processo de remoção do oxigênio.

[005] Outro grande problema associado ao trabalho com grafeno é que é muito difícil criar dispersões de grafeno estáveis. O grafeno é um sólido que não é solúvel em solvente, de modo que o grafeno deve ser utilizado na forma de pó ou dispersão. Existem muitos desafios associados à tentativa de criar dispersões compreendendo grafeno, incluindo processos de várias etapas com aumento de desperdício e custo. Ver, por exemplo, Liang et al., Coatings, 2018, 8, 33; Dong et al., Nature Communications, 8 de janeiro de 2018, 9, artigo número 76; e Johnson, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2015, 20 (5-6), 367-382.

[006] Portanto, há uma necessidade de métodos que abordem esses e outros desafios associados à fabricação de grafeno e outros materiais de carbono. São fornecidos aqui métodos para fabricar materiais de carbono, bem como métodos para funcionalizar materiais, que podem produzir grafeno, incluindo grafeno puro, e podem ser escalonáveis, rápidos e têm custos de produção reduzidos em comparação com as abordagens convencionais.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[007] A invenção se refere a métodos para fabricar materiais sólidos de carbono e para funcionalizar materiais, tais como materiais sólidos de carbono, particularmente grafeno. Esses métodos incluem fabricar os materiais de carbono sólido em um líquido in situ, resultando em dispersões do material de carbono sólido, que em algumas formas de realização são consideradas dispersões estáveis. A invenção também se refere a usos e aplicações para o(s) material(is) de carbono.

[008] São divulgados aqui métodos para fabricar um material de carbono sólido, o método compreendendo a distribuição de um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em uma região de reação de um reator; distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de reação do reator; e induzir uma reação química entre o pelo menos um composto orgânico líquido e o pelo menos um composto orgânico gasoso, em que: a reação química ocorre na região de reação do reator; o material de carbono sólido é feito por meio da reação; o material de carbono sólido é feito durante a reação na forma de uma dispersão compreendendo o material de carbono sólido disperso no líquido; e a reação química é uma reação homogênea compreendendo nucleação homogênea do material de carbono sólido na região de reação do reator. De preferência, a reação química compreende a transferência de massa gás-líquido. De preferência, mas não necessariamente, uma composição do gás é diferente de uma composição do líquido. De preferência, mas não necessariamente, uma composição do pelo menos um composto gasoso é diferente de uma composição do pelo menos um composto orgânico líquido. Opcionalmente, a reação química não ocorre no ou em um catalisador. De preferência, mas não necessariamente, o método não inclui uma nucleação heterogênea do material de carbono sólido em um substrato sólido. Opcionalmente, a etapa de distribuição do líquido é realizada por meio de uma primeira corrente de entrada na região de reação e a etapa de distribuição do gás é realizada por meio de uma segunda corrente de entrada na região de reação; em que o primeiro caminho de fluxo e o segundo fluxo de entrada são diferentes e fisicamente separados. Opcionalmente, a etapa de distribuição do líquido e a etapa de distribuição do gás são realizadas simultaneamente. Opcionalmente, a etapa de distribuição do gás é realizada após o líquido ser distribuído à região de reação. De preferência, o material de carbono sólido permanece disperso no líquido enquanto está presente na região de reação. De preferência, mas não necessariamente, o líquido é substancialmente livre de um material de carbono sólido durante a etapa de distribuição do líquido e antes das etapas de distribuição do gás e indução da reação química. De preferência, mas não necessariamente, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes das etapas de distribuição do gás e indução da reação química. De preferência, mas não necessariamente, o material de carbono sólido é formado apenas na região de reação do reator. Opcionalmente, o material de carbono sólido não é feito quando o método é realizado sem a etapa de distribuição do gás com etapas e condições equivalentes. De preferência, mas não necessariamente, a distribuição do gás compreende arrastar o gás, injetar o gás ou uma combinação destes. Opcionalmente, o gás é arrastado para o líquido sob pressão, o gás é injetado no líquido ou o gás é borbulhado no líquido, ou uma combinação dessas técnicas. De preferência, o gás é distribuído diretamente na região de reação durante a etapa de distribuição do gás. De preferência, mas não necessariamente, as etapas de entrega do gás e indução da reação química são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente (por exemplo, dentro de 5 minutos, dentro de 4 minutos, dentro de 2 minutos, dentro de 1 minuto, dentro de 30 segundos, dentro de 15 segundos, em 10 segundos, em 5 segundos ou em 1 segundo). De preferência, o pelo menos um composto orgânico líquido e o pelo menos um composto orgânico gasoso são simultaneamente (por exemplo, dentro de 5 minutos, dentro de 4 minutos, dentro de 2 minutos, dentro de 1 minuto, dentro de 30 segundos, dentro de 15 segundos, dentro de 10 segundos, dentro de 5 segundos, ou dentro de 1 segundo) presente na região de reação. Opcionalmente, a etapa de induzir a reação química compreende cavitação no líquido e/ou induzir uma força de cisalhamento. O reator será aquele que pode induzir cavitação, cisalhamento, alta pressão, altas temperaturas e/ou mistura, como um reator de cavitação, reator de cisalhamento ou reator de tanque de agitação. Em algumas formas de realização, o reator é um reator de tanque de agitação que compreende um agitador, em que o agitador induz a força de cisalhamento no líquido.

[009] São divulgados aqui métodos para fabricar um material de carbono sólido, o método compreendendo: distribuir um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em um reator de cavitação; formar bolhas de cavitação no líquido dentro de uma região de cavitação do reator de cavitação; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de cavitação do reator de cavitação; fazendo assim o material de carbono na forma de uma dispersão compreendendo o material de carbono disperso no líquido. Opcionalmente, o reator é um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de cisalhamento, um reator de cavitação ultrassônica ou um reator multifuncional. Opcionalmente, o reator de cavitação compreende cavitação hidrodinâmica ou cavitação ultrassônica. Opcionalmente, o reator compreende um reator de rotor estator, um reator de cisalhamento de bancada, um reator de cisalhamento de alta velocidade (por exemplo, Charles Ross HSM- 700), um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de orifício, um reator de leito fixo rotativo, um reator de disco giratório, um reator de correntes de impacto, um reator supersônico de gás-sólido, um reator de ultrassonicação, um reator de sonicação de sonda, um reator misturador de cisalhamento, reator de irradiação de microondas, um reator de onda de choque (por exemplo, reator SHOCKWAVE POWER™ (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Roma, GA), ou uma combinação dos mesmos. Em uma forma de realização, a sonicação é usada para causar ou induzir cavitação no líquido. Opcionalmente, a distribuição do gás compreende arrastar o gás, injetar o gás ou uma combinação destes. Opcionalmente, o gás é arrastado para o líquido. O gás pode ser arrastado para o líquido usando qualquer pressão adequada que permita a transferência de massa gás-líquido dentro das condições de operação do reator (por exemplo, 2 a 150 psi, 10 a 100 psi). Opcionalmente, o gás é injetado no líquido. Opcionalmente, o gás é borbulhado no líquido. Opcionalmente, o gás é distribuído diretamente na região de cavitação durante a etapa de distribuição do gás. Por exemplo, o gás pode ser distribuído diretamente na região de cavitação em um local de início de bolhas de cavitação. Opcionalmente, as etapas de formação de bolhas de cavitação e distribuição do gás são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente (por exemplo, dentro de 5 minutos, dentro de 4 minutos, dentro de 2 minutos, dentro de 1 minuto, dentro de 30 segundos, dentro de 15 segundos, dentro de 10 segundos, dentro 5 segundos ou dentro de 1 segundo). Opcionalmente, durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente em ou dentro de 1 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação, a região de nucleação de bolha de cavitação correspondendo à nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação hidrodinâmica durante a etapa de formação. Opcionalmente, a etapa de formação compreende a formação de uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, em que o gás é distribuído diretamente dentro ou no interior de 1 mm da nuvem de cavitação. Opcionalmente, a dispersão é formada na região de cavitação do reator. Opcionalmente, a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação; em que o material de carbono é formado dentro da nuvem de cavitação. Opcionalmente, o líquido está substancialmente livre do material de carbono durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação nele. Opcionalmente, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação nele. De preferência, fazer o material de carbono compreende a nucleação do material de carbono no líquido. De preferência, fazer o material de carbono compreende a nucleação do material de carbono no líquido e o crescimento do material de carbono no líquido.

[0010] Em um aspecto, é fornecido neste documento um método para funcionalizar um material disperso em um líquido, o material disperso no líquido sendo uma primeira dispersão, o método compreendendo as etapas de: distribuição da primeira dispersão em um reator de cavitação; em que o líquido compreende pelo menos um composto orgânico líquido; formar bolhas de cavitação no líquido dentro de uma região de cavitação do reator de cavitação hidrodinâmica; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente na região de cavitação do reator de cavitação; funcionalizando assim o material para formar uma segunda dispersão, a segunda dispersão compreendendo o material funcionalizado disperso no líquido. Em algumas formas de realização, a funcionalização do material compreende a funcionalização química, física ou química e física do material. Em algumas formas de realização, o material é um material de carbono que compreende grafite, grafite expandida, um material semelhante a grafite, grafeno, um material semelhante a grafeno, nanotubos de carbono, cebolas de carbono ou outro alótropo de carbono, nitreto de boro hexagonal ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o material funcionalizado compreende óxido de grafeno. Em algumas formas de realização, a funcionalização compreende adicionar átomos de oxigênio ao material, remover átomos de oxigênio do material, adicionar átomos de nitrogênio ao material, adicionar átomos de enxofre ao material ou uma combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o gás compreende oxigênio, vapor de água, hidrogênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, CO2, ozônio, ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o gás é distribuído diretamente na região de cavitação durante a etapa de distribuição do gás. Em algumas formas de realização, as etapas de formação de bolhas de cavitação e distribuição do gás são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente (por exemplo, em 5 minutos, em 4 minutos, em 2 minutos, em 1 minuto, em 30 segundos, em 15 segundos, em 10 segundos, em 5 segundos ou em 1 segundo). Em algumas formas de realização, a etapa de formação de bolhas de cavitação compreende bolhas de cavitação de nucleação. Em algumas formas de realização, durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente para ou dentro de 1 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação, a região de nucleação de bolha de cavitação correspondendo à nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação hidrodinâmica durante o etapa de formação. Em algumas formas de realização, a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, em que o gás é distribuído diretamente dentro ou em 1 mm da nuvem de cavitação. Em algumas formas de realização, o método de funcionalização de um material compreende terminar a entrega do gás e reter a dispersão na região de cavitação enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação. Em algumas formas de realização, durante a etapa de retenção da dispersão na região de cavitação e após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação, o método de funcionalização compreende ainda uma etapa de desgaseificação da dispersão para diminuir uma concentração do gás contido nele.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0011] A Figura 1 ilustra um reator de cavitação hidrodinâmica exemplificativo, ou parte do mesmo, de acordo com certas formas de realização da invenção.

[0012] A Figura 2 é um gráfico de voltagem versus corrente de grafeno não tratado, grafeno desoxidado e grafeno desoxidado tratado com acetileno em uma forma de realização da invenção.

[0013] A Figura 3 é uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de plaquetas do tipo grafeno feitas de acordo com uma forma de realização da invenção.

[0014] A Figura 4 é um gráfico de energia (keV) versus intensidade usando os dados de espectroscopia de raios-X dispersiva de energia (EDS) medidos a partir de duas porções das plaquetas mostradas na Figura 3 (espectro 5 e espectro 6 se sobrepõem).

[0015] A Figura 5A e a Figura 5B são imagens SEM adicionais de plaquetas semelhantes a grafeno exemplificativas produzidas por formas de realização de métodos aqui divulgados.

[0016] Figuras 6A-6B: a Figura 6A mostra uma imagem SEM de plaquetas semelhantes ao grafeno micronizadas, com quadrados (rotulados como “1” e “2”) identificando regiões correspondentes aos espectros de EDS mostrados na Figura 6B (o quadrado 1 corresponde a “Espectro 1” e o quadrado 2 corresponde a “Espectro 2”). A Figura 6B mostra os espectros de EDS das concentrações atômicas de elementos, calculados a partir dos espectros de EDS, no material de carbono nas regiões identificadas na Figura 6A.

[0017] Figuras 7A-7B: a Figura 7A mostra uma imagem SEM das plaquetas semelhantes ao grafeno micronizadas, com quadrados (rotulados como “5” e “6”) identificando regiões correspondentes aos espectros de EDS mostrados na Figura 7B (o quadrado 5 corresponde ao “Espectro 5” e o quadrado 6 corresponde ao “Espectro 6”). A Figura 7B mostra espectros de EDS e uma tabela resumindo as concentrações atômicas de elementos, calculadas a partir dos espectros de EDS, no material de carbono nas regiões identificadas na Figura 7A.

[0018] As Figuras 8A-8B são imagens SEM de material de carbono de acordo com o Exemplo 4B.

[0019] As Figuras 9A-9B são dados de intensidade de luz espalhada para material de carbono de acordo com o Exemplo 5A.

[0020] As Figuras 10A-10B são a distribuição do número de tamanho de partícula para o material de carbono de acordo com o Exemplo 5A.

[0021] As Figuras 11A-11B são dados de mobilidade, para determinar o potencial Zeta, para a dispersão de material de carbono de acordo com o Exemplo 5A.

[0022] As Figuras 12A-12B são imagens SEM e dados EDS correspondentes ao material de carbono de acordo com o Exemplo 5B.

[0023] As Figuras 13A-13B são imagens SEM e dados EDS correspondentes ao material de carbono de acordo com o Exemplo 10.

[0024] A Figura 14 é um gráfico de Coeficiente de Fricção vs Tempo para óleo de motor Syn 530 não processado (superior) e óleo de motor Syn 530 processado (inferior), onde “processado” se refere a um método para produzir materiais de carbono divulgados neste documento, de acordo com certas formas de realização. Os dados demonstram redução da cicatriz de desgaste e coeficiente de atrito da presença de material de carbono nanocristalino formado durante a cavitação no óleo de motor Syn 530 compreendendo gás propano arrastado usando alto cisalhamento, de acordo com as formas de realização aqui divulgadas.

[0025] A Figura 15 é um gráfico de coeficiente de atrito vs tempo para óleo AMSOIL™ não processado (topo) e óleo AMSOIL™ processado (inferior), onde “processado” se refere a um método para produzir materiais de carbono divulgados neste documento, de acordo com certas formas de realização. Os dados demonstram redução da cicatriz de desgaste e coeficiente de atrito da presença de material de carbono nanocristalino formado durante a cavitação no óleo de motor AMSOIL™ compreendendo gás propano arrastado usando alto cisalhamento, de acordo com as formas de realização aqui divulgadas.

[0026] A Figura 16 é um gráfico de Coeficiente de Fricção vs Tempo para óleo MOBILE 1™ não processado (superior) e óleo MOBILE 1™ processado (inferior), onde “processado” se refere a um método para produzir materiais de carbono divulgados neste documento, de acordo com certas formas de realização. Os dados demonstram redução da cicatriz de desgaste e coeficiente de atrito da presença de material de carbono nanocristalino formado durante a cavitação no óleo de motor MOBILE 1™ compreendendo gás propano arrastado usando alto cisalhamento, de acordo com as formas de realização aqui divulgadas.

[0027] As Figuras 17A-17B são dados de mobilidade, para determinar o potencial Zeta, para a dispersão de material de carbono de acordo com o Exemplo 11A.

[0028] A Figura 18 é um esquema de um reator de cisalhamento de bancada exemplificativo.

[0029] A Figura 19 é um esquema de um reator de cisalhamento de alta velocidade exemplificativo.

[0030] A Figura 20 é um esquema de um reator multifuncional exemplificativo.

[0031] A Figura 21 é um esquema de um reator de cavitação de sonicação exemplificativo (por exemplo, um reator de sonicação de sonda).

[0032] A Figura 22 é um diagrama de Kgeral vs rpm do agitador do livro “Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering” de Jonathan Wostell, 2016.

[0033] A Figura 23 é um reator de tanque de agitação exemplificativo, de acordo com certas formas de realização.

[0034] A Figura 24 são ilustrações que correspondem a um impulsor de indução de gás para um reator de tanque de agitação.

[0035] A Figura 25 é um SEM mostrando material semelhante ao grafeno de poucas camadas produzido com um reator de tanque agitado, de alta temperatura e alta pressão por injeção de gás propano em tolueno líquido por 30 minutos a uma pressão de 80 psi e uma temperatura de 60 °C.

[0036] A Figura 26 é um EDS das porcentagens atômicas de elementos em óxido de grafeno.

[0037] A Figura 27 é um EDS das porcentagens atômicas de elementos em óxido de grafeno reduzido (óxido de grafeno reduzido da Figura 26).

[0038] A Figura 28 é um EDS das porcentagens atômicas de elementos no grafeno puro.

[0039] A Figura 29 é um EDS das porcentagens atômicas de elementos em grafeno parcialmente oxidado (oxidado na borda) (grafeno oxidado da Figura 28).

[0040] A Figura 30 ilustra dados que mostram que quando grafeno oxidado de borda dispersa em água é adicionado à porção de água de Master Chemical 685, há uma redução de 26% no torque necessário para formar roscas em aço.

[0041] A Figura 31 inclui dados de potencial Zeta para grafeno catiônico feito de acordo com certas formas de realização aqui divulgadas.

DECLARAÇÕES SOBRE COMPOSTOS QUÍMICOS E NOMENCLATURA

[0042] Em geral, os termos e frases usados neste documento têm seu significado reconhecido na técnica, que pode ser encontrado por referência a textos padrão, referências de periódicos e contextos conhecidos pelos técnicos no assunto. As seguintes definições são fornecidas para esclarecer seu uso específico no contexto da invenção.

[0043] Sem desejar ser limitado por qualquer teoria em particular, pode haver discussão neste documento de crenças ou entendimentos de princípios subjacentes relacionados aos dispositivos e métodos divulgados neste documento. É reconhecido que, independentemente da correção final de qualquer explicação ou hipótese mecanicista, uma forma de realização da invenção pode, no entanto, ser operativa e útil.

[0044] Tal como aqui utilizado, o termo “composto orgânico” refere- se a uma espécie química caracterizada por uma fórmula química com pelo menos um átomo de carbono (C). Por exemplo, o metano (CH4) é um composto orgânico gasoso. Por exemplo, o etanol é um composto orgânico líquido. O termo “composto orgânico líquido” refere-se a um composto orgânico que é substancialmente líquido nas condições do método em que está sendo usado (por exemplo, o ponto de ebulição do mesmo é maior do que a temperatura total do líquido durante o método que está sendo executado). O termo “composto orgânico gasoso” refere-se a um composto orgânico que é substancialmente gasoso nas condições do método em que está sendo usado (por exemplo, o ponto de ebulição do mesmo é menor do que a temperatura total do gás durante o método que está sendo executado).

[0045] O termo “cavitação” se refere à formação de cavidades de vapor, ou “bolhas de cavitação”, em um líquido como resultado da mudança de pressão (tipicamente mudança rápida de pressão) exibida ou transmitida ao líquido. Por exemplo, um líquido que sofre uma expansão repentina, como um líquido que sai de um pequeno orifício e entra em um volume maior, pode sofrer uma queda repentina de pressão suficiente para resultar na formação de bolhas de cavitação. A cavitação pode ser causada por uma ou uma combinação de forças ou fontes de energia, incluindo, mas não se limitando a, alteração de pressão devido à expansão de volume, ultrassonicação (também referido neste documento como sonicação). Mesmo que a cavitação possa ocorrer em um reator de alto cisalhamento, especialmente com a injeção de um gás, a reação principal provavelmente vem do cisalhamento. A cavitação hidrodinâmica inclui a cavitação induzida ou causada pela mudança de pressão transmitida ou experimentada por um fluido, tal como devido à mudança de volume, tal como devido à passagem de fluido para dentro, através e para fora de um orifício. Cavitação por ultrassonicação (também referida neste documento como cavitação por ultrassonicação ou cavitação ultrassônica) refere-se à cavitação induzida ou causada por ultrassonicação transmitida ou experimentada por um fluido. A formação de uma bolha de cavitação inclui a primeira nucleação de uma bolha de cavitação. A cavitação pode ser associada à formação de uma pluralidade de bolhas de cavitação, de modo que a soma das bolhas de cavitação existentes a qualquer momento forme uma “nuvem de cavitação”. A nuvem de cavitação corresponde a uma região do líquido que compreende bolhas de cavitação, que em algumas formas de realização inclui qualquer região ou local onde uma bolha de cavitação está nucleando.

[0046] Conforme usado neste documento, o termo “reator de cavitação” se refere a um reator que induz ou causa cavitação em um fluido. De preferência, mas não necessariamente, um reator de cavitação é um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de cavitação ultrassônica ou um reator de cavitação multifuncional.

[0047] Um “reator de cavitação hidrodinâmica” é um reator configurado para induzir ou causar uma cavitação hidrodinâmica em um fluido. De preferência, um reator de cavitação hidrodinâmica é um sistema que compreende uma ou mais regiões para induzir a cavitação (formação de bolhas de cavitação) em um líquido. Um reator de cavitação hidrodinâmica normalmente compreende uma região de pré-cavitação e uma região de cavitação. Em algumas formas de realização, um reator de cavitação hidrodinâmica compreende pelo menos um orifício (por exemplo, abertura, entrada, orifício, entalhe, perfuração) de modo que um fluido flua de uma região de pré-cavitação, através de um orifício, para uma região de cavitação. Reatores de cavitação hidrodinâmicas úteis para os métodos aqui divulgados podem incluir uma variedade de configurações e regiões/equipamentos para formar bolhas de cavitação, incluindo, mas não se limitando a, orifícios, bicos, tubos de venturi, rotores e quaisquer combinações destes ou outros recursos conhecidos na arte.

[0048] Um “reator de cisalhamento” é um reator configurado para induzir ou causar cisalhamento em um fluido. Figura 18 mostra um misturador de cisalhamento de bancada exemplificativo (um reator de cisalhamento), como uma unidade de alto cisalhamento FM Fuko Bench. A Figura 19 mostra um misturador de cisalhamento, como um misturador de cisalhamento de alta velocidade em linha Charles Ross HSM-700 que também é capaz de induzir cavitação quando o gás é injetado.

[0049] Um “reator de cavitação ultrassônica” é um reator configurado para induzir ou causar cavitação ultrassônica em um fluido.

[0050] Um “reator multifuncional” é um reator que compreende uma pluralidade de reatores ou uma pluralidade de diferentes mecanismos/processos para induzir a reação química por meio da qual um material de carbono sólido é formado. Um reator multifuncional pode ser um reator de cavitação multifuncional, que compreende uma pluralidade de reatores de cavitação ou um reator de cavitação que induz ou causa cavitação em um fluido por meio de uma pluralidade de tipos de cavitação (ou, energias ou forças que induzem ou causam cavitação). Por exemplo, um reator multifuncional pode incluir uma pluralidade de mecanismos para induzir ou causar cavitação em um fluido. Por exemplo, um reator multifuncional pode ser configurado para induzir ou causar pelo menos duas de cavitação hidrodinâmica, cavitação ultrassônica e cisalhamento em um fluido. A Figura 20 é um esquema de um reator de cavitação multifuncional, incluindo um reator de cavitação hidrodinâmica e um reator de cisalhamento. De acordo com certas formas de realização, um reator de cavitação multifuncional inclui dois reatores conectados em série, como mostrado na Figura 20. Um primeiro reator, como um reator de cavitação hidrodinâmica alimentado com gás, pode produzir um material de carbono sólido, como materiais semelhantes ao grafeno, por exemplo, como o fluido sofre uma queda de pressão quando passa por um ou mais orifícios, e o gás é injetado próximo ao(s) ponto(s) de nucleação da(s) bolha(s) de cavitação. De acordo com certas formas de realização, o fluido (agora imbuído com material de carbono) pode então passar por um segundo reator, como um reator de alto cisalhamento, onde o material semelhante ao grafeno, por exemplo, pode ser cisalhado em partículas cristalinas. De acordo com certas formas de realização, nenhum gás é injetado no segundo reator, como o reator de alto cisalhamento.

[0051] Conforme usado neste documento, o termo “in situ” (ou “insitu”), em referência a um material de carbono sólido ou o processo para fazer o material de carbono sólido, tal como um material de carbono formado in situ ou um material de carbono in situ ou um processo in situ para produzir um material de carbono sólido, refere-se ao material de carbono ou ao processo para fazer o material de carbono sólido em que o material de carbono é feito pelo referido processo e não é de outra forma uma matéria prima para o processo. O processo para fazer o material de carbono pode ser um método de acordo com qualquer forma(s) de realização divulgada(s) neste documento e o material de carbono pode ser material(is) de carbono de acordo com qualquer forma(s) de realização divulgada(s) neste documento. Por exemplo, um líquido fornecido como uma entrada em um processo in situé livre de um material de carbono e o material de carbono sólido é feito no líquido durante o processo in situ, caso em que o material de carbono feito pode ser referido como um material de carbono in situ. Por exemplo, em um processo in situ para produzir um material de carbono sólido, um líquido está substancialmente livre do material de carbono durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no referido líquido durante o processo in situ. Por exemplo, um líquido é substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido ao processo e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo. Conforme descrito em outro lugar neste documento, o material de carbono in situ pode ser feito na região de reação do reator, tal como uma região de cavitação, ou a nuvem de cavitação, de um reator de cavitação durante o método para fazer o material de carbono.

[0052] Tal como aqui utilizado, o termo “bem disperso” pode referir- se a particulado(s) em um líquido que estão dispersos de forma estável com mínima ou nenhuma aglomeração e/ou precipitação do líquido. De preferência, mas não necessariamente, as partículas bem dispersas são caracterizadas por um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -40 mV.

[0053] O termo “dispersão” refere-se a uma mistura de partículas, como partículas de um ou mais materiais sólidos de carbono, dispersas e/ou suspensas em um líquido, que pode ser referido como um solvente. Uma mistura coloidal é uma dispersão exemplificativa. De preferência, mas não necessariamente, uma dispersão é uma mistura homogênea. No contexto de uma dispersão, o termo “homogêneo” se refere a uma mistura líquida que parece uniforme a olho nu. Em contraste, uma mistura líquida heterogênea inclui partículas que são precipitadas ou suspensas na mistura líquida e são grandes o suficiente para serem distintamente identificáveis a olho nu na mistura líquida. Uma mistura líquida heterogênea inclui, por exemplo, partículas sedimentadas e/ou em sedimentação. De preferência, mas não necessariamente, o termo “dispersão” tem a intenção geral de incluir soluções e dispersões, como coloides, que não são misturas líquidas heterogêneas. De preferência, mas não necessariamente, uma dispersão é uma mistura microscopicamente homogênea ou uniforme de partículas em um líquido, como um solvente. De preferência, mas não necessariamente, uma dispersão é termodinamicamente favorecida para permanecer dispersa de forma estável ou é termodinamicamente favorecida para segregar por sedimentação, mas em que a sedimentação é cineticamente retardada ou evitada. Partículas, de uma dispersão, que são caracterizadas como dispersas de forma estável, permanecem dispersas na dispersão e não sedimentam ou precipitam do líquido, da dispersão, por pelo menos 5 horas, de preferência pelo menos 12 horas, de preferência pelo menos 24 horas, e mais preferencialmente pelo menos 1 semana, sob temperatura e pressão normais (NTP) e exposição ao ar.

[0054] Conforme usado neste documento, o termo “material de carbono” se refere a um material de carbono sólido. O termo “material de carbono” ou “material de carbono sólido”, tal como aqui utilizado, não se refere a um composto orgânico líquido (tal como um composto orgânico líquido de um líquido distribuído a um reator) e não se refere a um composto orgânico gasoso (tal como um composto orgânico gasoso de um gás distribuído a um reator). Os materiais de carbono exemplificativos incluem, mas não estão limitados a, grafite, grafite expandida, um material semelhante a grafite, grafeno, um material semelhante a grafeno, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outros alótropos de carbono, um composto que compreende grafeno, grafeno catiônico e qualquer combinações dos mesmos.

[0055] O termo “simultâneo” refere-se ao mesmo tempo dentro dos limites de detecção. O termo “quase simultaneamente” refere-se a 5 minutos, 4 minutos, 2 minutos, preferencialmente 1 minuto, mais preferencialmente 30 segundos, preferencialmente em algumas formas de realização dentro de 15 segundos, preferencialmente em algumas formas de realização dentro de 10 segundos, preferencialmente em algumas formas de realização dentro de 5 segundos, ou mais preferencialmente em algumas formas de realização dentro de 1 segundo.

[0056] Um gás arrastado em um líquido é, por exemplo, um gás dissolvido no líquido. Um gás injetado é, por exemplo, um gás injetado, como por meio de uma diferença de pressão, no líquido de modo que o gás seja introduzido ou de outra forma presente no líquido (por exemplo, no início da formação da bolha). Fazer borbulhar um gás em um líquido é um exemplo de injeção de gás em um líquido.

[0057] O termo “temperatura do volume” refere-se a uma temperatura média de uma porção substancial de um fluido ou material. Por exemplo, uma temperatura do volume de um líquido pode ser aproximadamente a temperatura ambiente, embora o líquido possa compreender variações locais na temperatura, como no local de uma formação de bolha de cavitação e colapso onde a temperatura local pode exceder a temperatura do volume. Por exemplo, a temperatura local de um fluido pode corresponder à temperatura do fluido em uma escala de 1 nm3ou menos, 10 µm3ou menos, 100 µm3ou menos, ou 1 mm3 ou menos. Por exemplo, a temperatura local de um fluido pode corresponder à temperatura do fluido em uma escala maior que 1 mm3.

[0058] Conforme usado neste documento, o termo “polímero” se refere a uma molécula composta de unidades estruturais repetidas conectadas por ligações químicas covalentes, muitas vezes caracterizadas por um número substancial de unidades repetidas (por exemplo, igual ou superior a 3 unidades de repetição, opcionalmente, em algumas formas de realização iguais a ou maior do que 10 unidades de repetição, em algumas formas de realização maior ou igual a 30 unidades de repetição) e um alto número de peso molecular médio (por exemplo, maior que 1.000 Da, maior ou igual a 10.000 Da, em algumas formas de realização maior ou igual a 50.000 Da ou maior ou igual a 100.000 Da). Os polímeros são comumente o produto de polimerização de um ou mais precursores de monômeros. O termo polímero inclui homopolímeros, isto é, polímeros consistindo essencialmente em uma única subunidade monomérica de repetição. O termo polímero também inclui copolímeros, que são formados quando dois ou mais tipos diferentes de monômeros são ligados no mesmo polímero. Os copolímeros podem compreender duas ou mais subunidades de monômero e incluem aleatório, bloco, escova, bloco de escova, alternado, segmentado, enxertado, cônico e outras arquiteturas. Polímeros úteis incluem polímeros orgânicos ou polímeros inorgânicos que podem estar nos estados amorfo, semi-amorfo, cristalino ou semicristalino. As cadeias laterais de polímero capazes de reticular polímeros (por exemplo, reticulação física) podem ser úteis para algumas aplicações. Copolímeros úteis incluem copolímeros de bloco e/ou copolímeros de enxerto. Polímeros exemplificativos incluem, mas não estão limitados a, aqueles com unidades de repetição tendo um ou mais grupos poliisocianato, grupos polimetacrilato, grupos poliacrilato, grupos polimetacrilamida, grupos poliacrilamida, grupos poliquinoxalina, grupos poliguanidina, grupos polisilano, grupos poliacetileno, grupos poliaminoácido, grupos polipeptídicos, grupos policloral, grupos polilactídeo, grupos poliestireno, grupos poliacrilato, grupos poli ier/-butil acrilato, grupos polimetil metacrilato, grupos polissiloxano, grupos polidimetilsiloxano, grupos poli n-butil acrilato, grupos polietileno glicol, grupos óxido de polietileno, grupos polietileno, grupos polipropileno, grupos politetrafluoroetileno, grupos cloreto de polivinila não substituídos ou substituídos e qualquer combinação dos mesmos.

[0059] Conforme usado neste documento, o termo “grupo” se refere a um grupo funcional de um composto químico. Os grupos dos presentes compostos referem-se a um átomo ou coleção de átomos que fazem parte do composto. Os grupos da presente invenção podem ser ligados a outros átomos do composto por meio de uma ou mais ligações covalentes. Os grupos também podem ser caracterizados em relação ao seu estado de valência. A presente invenção inclui grupos caracterizados como estados de valência monovalentes, divalentes, trivalentes, etc.

[0060] Um “oligômero” refere-se a uma molécula composta de unidades estruturais repetidas conectadas por ligações químicas covalentes, muitas vezes caracterizadas por um número de unidades repetidas menor que o de um polímero (por exemplo, igual ou menor que 3 unidades repetidas) e um peso molecular numérico médio menor (por exemplo, menor ou igual a 1.000 Da) do que os polímeros. Os oligômeros podem ser o produto de polimerização de um ou mais precursores de monômeros.

[0061] O termo “pré-polímero” ou “prépolímero” refere-se a um monômero ou mistura compreendendo um ou mais monômeros onde o(s) monômero(s) reagiram a um estado de massa molecular intermediário. O pré- polímero é capaz de sofrer polimerização adicional até um estado de peso molecular superior totalmente curado. Em algumas formas de realização, os termos pré-polímero e monômero são usados alternadamente.

[0062] A menos que especificado de outra forma, o termo “peso molecular” se refere a um peso molecular médio. A menos que especificado de outra forma, o termo “peso molecular médio” refere-se ao peso molecular numérico médio. O peso molecular numérico médio é definido como o peso total de um volume de amostra dividido pelo número de moléculas dentro da amostra. Como é habitual e bem conhecido na técnica, o peso molecular médio do pico e o peso molecular ponderal médio também podem ser usados para caracterizar o peso molecular da distribuição de polímeros dentro de uma amostra.

[0063] O termo “peso molecular ponderal médio” (Mw) refere-se ao peso molecular médio definido como a soma dos produtos do peso molecular de cada molécula de polímero (Mi) multiplicado por sua fração ponderal (wi): Mw = ?wi Mi. Como é habitual e bem conhecido na técnica, o peso molecular médio do pico e o peso molecular numérico médio também podem ser usados para caracterizar o peso molecular da distribuição de polímeros dentro de uma amostra.

[0064] O termo “substancialmente” refere-se a uma propriedade ou condição que está dentro de 20%, dentro de 10%, dentro de 5%, dentro de 1% ou é equivalente a uma propriedade ou condição de referência. O termo “substancialmente igual”, “substancialmente equivalente” ou “substancialmente inalterado”, quando usado em conjunto com um valor de referência que descreve uma propriedade ou condição, refere-se a um valor ou condição que está dentro de 20%, dentro de 10%, dentro de 5%, dentro de 1%, dentro de 0,1% ou, opcionalmente, é equivalente ao valor de referência ou condição fornecida. Por exemplo, uma concentração é substancialmente igual a 1% em massa se o valor da concentração estiver dentro de 20%, dentro de 10%, dentro de 5%, dentro de 1% ou igual a 1% em massa. Por exemplo, substancialmente todo um material ou fluido está dentro de uma determinada região se pelo menos 80% (por exemplo, volume, mols ou em massa), pelo menos 90%, pelo menos 95%, pelo menos 95% ou 100% do material ou fluido está dentro da região particular. O termo “substancialmente maior”, quando usado em conjunto com um valor de referência ou condição que descreve uma propriedade ou condição, refere-se a um valor que é pelo menos 2%, pelo menos 5%, pelo menos 10% ou pelo menos 20% maior do que o valor de referência ou condição fornecida. O termo “substancialmente menos”, quando usado em conjunto com um valor de referência ou condição que descreve uma propriedade ou condição, refere-se a um valor ou condição que é pelo menos 2%, pelo menos 5%, pelo menos 10% ou pelo menos 20% menor que o valor de referência fornecido. Por exemplo, uma concentração é substancialmente menor que 1% em massa se o valor da concentração for pelo menos 20% menor que, pelo menos 10% menor que, pelo menos 5% menor que, ou pelo menos 1% menor que 1% em massa.

[0065] O termo “material semelhante ao grafeno” refere-se a um material sólido à base de carbono produzido pelo método inventivo que pode ser processado para ser fisicamente semelhante ao grafeno puro. O grafeno puro compreende menos de 1% de oxigênio e tem poucas camadas (por exemplo, 1 a 2 camadas). O tamanho das plaquetas do grafeno puro normalmente varia de 1 a 5 mícron. O material de carbono feito in situ, conforme descrito neste documento e feito em um solvente de hidrocarboneto sob condições hidrodinâmicas, consiste em plaquetas multicamadas (mais de 2 camadas, por exemplo, 5 a 15 camadas, 6 a 13 camadas, 7 a 12 camadas, 8 a 11 camadas) com tamanhos de plaquetas variando de cerca de 1 a 50 mícrons (por exemplo, 2 a 25 µm, 3 a 15 µm ou 5 a 10 µm). Quando feito com um solvente de hidrocarboneto anidro (por exemplo, tolueno), o material semelhante ao grafeno produzido terá menos de 1% de oxigênio. Além disso, o material semelhante ao grafeno criado pelo método inventivo é facilmente esfoliado por líquido em poucas camadas de grafeno. É mais facilmente esfoliado por líquido do que grafite, porque, sem se apegar a qualquer teoria, acredita-se que, como o material semelhante ao grafeno se desenvolve in situ, as folhas de grafeno podem ser mantidas juntas com uma ligação de Van der Waals mais fraca do que seria encontrado na grafite.

[0066] Os termos “reator de tanque por agitação” e “reator tanque agitado” destinam-se a ser intercambiáveis e ter um significado equivalente.

[0067] Conforme usado neste documento, o termo “redução de atrito in situ” se refere a um processo no qual a lubricidade de um fluido é alterada ou melhorada. Em um processo de redução de atrito in situ, o fluido pode ser usado como um lubrificante e ter suas propriedades de lubrificação melhoradas simultaneamente ou quase simultaneamente (por exemplo, dentro de 5 minutos, dentro de 4 minutos, dentro de 2 minutos, dentro de 1 minuto, dentro de 30 segundos, dentro 15 segundos, dentro de 10 segundos, dentro de 5 segundos ou dentro de 1 segundo).

[0068] Em uma forma de realização, uma composição ou composto da invenção, tal como um composto orgânico líquido ou um composto orgânico gasoso, é isolado ou substancialmente purificado. Em uma forma de realização, um composto isolado ou purificado é pelo menos parcialmente isolado ou substancialmente purificado como seria entendido na técnica. Em uma forma de realização, uma composição, composto ou formulação substancialmente purificada da invenção tem uma pureza química de pelo menos 95%, opcionalmente para algumas aplicações pelo menos 97%, opcionalmente para algumas aplicações pelo menos 98%, opcionalmente para algumas aplicações pelo menos 99%, opcionalmente para algumas aplicações pelo menos 99,9%, opcionalmente para algumas aplicações 99,99% e opcionalmente para algumas aplicações 99,999% puro.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0069] Na seguinte descrição, numerosos detalhes específicos dos dispositivos, componentes de dispositivos e métodos da presente invenção são apresentados a fim de fornecer uma explicação completa da natureza precisa da invenção. Será evidente, no entanto, para os técnicos no assunto que a invenção pode ser praticada sem esses detalhes específicos.

[0070] É divulgado aqui um método para produzir um material de carbono sólido compreendendo: distribuir um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em uma região de reação de um reator; distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de reação do reator; e induzir uma reação química entre o pelo menos um composto orgânico líquido e o pelo menos um composto orgânico gasoso, em que: a reação química ocorre na região de reação do reator; o material de carbono sólido é feito por meio da reação; o material de carbono sólido é feito durante a reação na forma de uma dispersão compreendendo o material de carbono sólido disperso no líquido; e a reação química é uma reação homogênea compreendendo nucleação homogênea do material de carbono sólido na região de reação do reator. De preferência, a reação química compreende a transferência de massa gás-líquido. De preferência, mas não necessariamente, uma composição do gás é diferente de uma composição do líquido. De preferência, mas não necessariamente, uma composição do pelo menos um composto gasoso é diferente de uma composição de pelo menos um composto orgânico líquido. Por exemplo, ter o gás (ou pelo menos um composto orgânico gasoso do mesmo) e o líquido (ou pelo menos um composto orgânico líquido do mesmo) sendo de composição química diferente (por exemplo, propano e etanol) pode fornecer um grau mais amplo de flexibilidade no tipo, composição e propriedades do(s) material(is) de carbono sólido(s) resultante(s), em comparação com um processo equivalente onde o gás e o líquido são de composição química equivalente. Opcionalmente, a reação química não ocorre no ou em um catalisador. De preferência, mas não necessariamente, o método não inclui uma nucleação heterogênea do material de carbono sólido em um substrato sólido. Opcionalmente, a etapa de distribuição do líquido é realizada por meio de uma primeira corrente de entrada na região de reação e a etapa de distribuição do gás é realizada por meio de uma segunda corrente de entrada na região de reação; em que o primeiro caminho de fluxo e o segundo fluxo de entrada são diferentes e fisicamente separados. Opcionalmente, a etapa de distribuição do líquido e a etapa de distribuição do gás são realizadas simultaneamente. Opcionalmente, a etapa de distribuição do gás é realizada após o líquido ser distribuído à região de reação (por exemplo, tal como, mas não necessariamente, em um processo de batelada onde o líquido é primeiro distribuído a um reator de batelada e, em seguida, o gás é distribuído durante o período em que a reação deve ocorrer). De preferência, o material de carbono sólido permanece disperso no líquido enquanto está presente na região de reação. De preferência, mas não necessariamente, o líquido é substancialmente livre de um material de carbono sólido durante a etapa de distribuição do líquido e antes das etapas de distribuição do gás e indução da reação química. De preferência, mas não necessariamente, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes das etapas de distribuição do gás e indução da reação química. De preferência, mas não necessariamente, o material de carbono sólido é formado apenas na região de reação do reator. Opcionalmente, o material de carbono sólido não é feito quando o método é realizado sem a etapa de distribuição do gás com diferentes etapas e condições equivalentes. De preferência, mas não necessariamente, a distribuição do gás compreende arrastar o gás, injetar o gás ou uma combinação destes. Opcionalmente, o gás é arrastado no líquido sob pressão, o gás é injetado no líquido ou o gás é borbulhado no líquido, ou uma combinação dos dois. De preferência, o gás é distribuído diretamente na região de reação durante a etapa de distribuição do gás. A pressão na região de reação é qualquer pressão adequada que permita a transferência de massa gás-líquido (por exemplo, 10 a 5.000 psi, 50 a 3.000 psi, etc.). De preferência, mas não necessariamente, as etapas de entrega do gás e indução da reação química são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente (por exemplo, dentro de 5 minutos, dentro de 4 minutos, dentro de 2 minutos, dentro de 1 minuto, dentro de 30 segundos, dentro de 15 segundos, em 10 segundos, em 5 segundos ou em 1 segundo). De preferência, o pelo menos um composto orgânico líquido e o pelo menos um composto orgânico gasoso são simultaneamente (por exemplo, dentro de 5 minutos, dentro de 4 minutos, dentro de 2 minutos, dentro de 1 minuto, dentro de 30 segundos, dentro de 15 segundos, dentro de 10 segundos, dentro de 5 segundos, ou dentro de 1 segundo) presente na região de reação. De preferência, fazer o material de carbono compreende a nucleação do material de carbono no líquido. De preferência, fazer o material de carbono compreende a nucleação do material de carbono no líquido e o crescimento do material de carbono no líquido. Opcionalmente, o material de carbono sólido é uma pluralidade de materiais de carbono. Opcionalmente, o reator é um reator de cavitação, um reator de cisalhamento, um reator de tanque de agitação ou um reator multifuncional. Em algumas formas de realização, o reator é um reator de cavitação; a zona de reação é uma zona de cavitação do reator de cavitação; e o método compreende a formação de bolhas de cavitação no líquido dentro da região de cavitação do reator de cavitação.

[0071] Em comparação com os processos convencionais, os métodos inventivos divulgados neste documento podem levar minutos ou mesmo segundos, em vez de horas, são de baixo custo, usam o mínimo de produtos químicos indesejáveis, usam menos energia e/ou são altamente escalonáveis. Foi surpreendentemente descoberto que com os métodos da invenção, um material de carbono sólido, como grafeno ou um material semelhante ao grafeno, pode ser produzido diretamente (ou seja, uma única etapa) em um fluido na forma de uma dispersão, incluindo uma dispersão estável. Um material de carbono sólido disperso (por exemplo, grafeno ou material semelhante ao grafeno) tem uma ou mais vantagens em comparação com um pó sólido. Essas vantagens incluem que os líquidos podem ser diluídos muito mais facilmente do que o pó, os líquidos são mais fáceis de trabalhar do ponto de vista de manuseio de materiais e/ou produzir um material de carbono sólido diretamente, em uma única etapa, em um fluido é menos caro do que fazer um pó e depois dispersar o pó.

[0072] No método da invenção, o reator é qualquer reator adequado que facilite uma transferência de massa gás-líquido para formar um material de carbono sólido a partir de pelo menos um composto orgânico gasoso e o pelo menos um composto orgânico líquido. Em geral, o reator será aquele que pode induzir cavitação, cisalhamento, alta pressão, altas temperaturas e/ou mistura ou qualquer combinação dessas condições. Em formas de realização, o reator é selecionado a partir do grupo que consiste em um reator de cavitação, um reator de cisalhamento, um reator de tanque de agitação ou uma combinação destes. Exemplos específicos de um reator adequado que pode induzir cavitação, cisalhamento, alta pressão, altas temperaturas e/ou mistura inclui um reator de tanque de agitação, um reator de turbina, um reator de monólito, um reator de espuma, um reator de rotor estator, um reator de cisalhamento de bancada, um reator de cisalhamento de alta velocidade (por exemplo, Charles Ross HSM-700), um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de orifício, um reator de tubo rotativo, um reator de leito fixo rotativo, um reator rotativo em ziguezague, um reator de leito fluidizado, um reator de Taylor-Couette, um reator de tubo em tubo, um reator de disco giratório, um reator de correntes de choque, um reator supersônico de gás-sólido, um reator de ultrassom, um reator de sonicação de sonda, reator de irradiação de microondas, um reator de onda de choque (por exemplo, ENERGIA SHOCKWAVE Reator™ (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA), um reator de fluxo contínuo (por exemplo, um reator RAPTOR™; La Mesta Chimie Fine, Gilette, França), um reator misturador de cisalhamento e qualquer combinação destes. Por exemplo, um reator de cavitação hidrodinâmica pode ser integrado a um reator de tanque de agitação ou um reator de tanque de agitação pode ser integrado a um reator de cisalhamento. Será apreciado que um reator pode ser classificado em uma ou mais categorias para induzir uma transferência de massa gás-líquido (por exemplo, cavitação, cisalhamento, alta pressão e/ou altas temperaturas).

[0073] Opcionalmente, a etapa de induzir a reação química compreende induzir uma força de cisalhamento no líquido. Opcionalmente, o reator é um reator de tanque de agitação que compreende um agitador; e em que o agitador induz a força de cisalhamento no líquido. Opcionalmente, o agitador é selecionado a partir do grupo que consiste em um agitador indutor de gás, um agitador/turbina Rushton, um agitador monolítico, um agitador em espiral, um impulsor de placas ou de lâmina plana radial, um propulsor axion, uma lâmina inclinada, um agitador de vórtice de turbina, vários agitadores em um eixo e qualquer combinação destes. Opcionalmente, o agitador é um agitador de indução de gás. Opcionalmente, o agitador é caracterizado por uma velocidade de rotação selecionada na faixa de 200 rpm a 14.000 rpm (por exemplo, 250 a 12.000 rpm, 500 a 10.000 rpm, 1.000 a 5.000 rpm, 1.000 a 3.000 rpm, 1.000 a 1.200 rpm). O cisalhamento criado pelo impulsor em um reator de tanque de agitação é amplamente determinado pela razão entre o diâmetro do impulsor (D) e o diâmetro do tanque (T). A razão D/T está tipicamente na faixa de 0,1 a 0,6, de preferência 0,2 a 0,5. Baixas razões D/T produzem alto cisalhamento e normalmente funcionam em rpm mais altas, enquanto altas razões D/T produzem baixo cisalhamento e são executadas em rpm mais baixas. Opcionalmente, a etapa de induzir a reação química compreende agitar ou mexer o líquido e o gás na região de reação, o que pode incluir a redução de um tamanho médio de bolhas de gás no líquido na região de reação. Opcionalmente, uma pressão na região do reator é selecionada na faixa de 6 bar (cerca de 87 psi) a 150 bar (cerca de 2175 psi). Opcionalmente, uma temperatura na região de reação é selecionada a partir da faixa de 20 °C a 250 °C (por exemplo, 20 °C a 200 °C, 20 °C a 150 °C, 20 °C a 100 °C, 30 °C a 250 °C, 30 °C a 200 °C, 30 °C a 150 °C, 30 °C a 100 °C, 40 °C a 250 °C, 40 °C a 200 °C, 40 °C a 150 °C, 40 °C a 100 °C, 50 °C a 250 °C, 50 °C a 200 °C, 50 °C a 150 °C, 50 °C a 100 °C, 50 °C a 90 °C, ou 60 °C a 100 °C).

[0074] Em um aspecto, é fornecido aqui um método para produzir um material de carbono sólido, o método compreendendo: distribuir um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em um reator de cavitação; formar bolhas de cavitação no líquido dentro de uma região de cavitação do reator de cavitação; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de cavitação do reator de cavitação; fazendo assim o material de carbono na forma de uma dispersão compreendendo o material de carbono disperso no líquido. Em algumas formas de realização, o reator de cavitação é um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de cisalhamento, um reator de cavitação ultrassônica ou um reator multifuncional. Em algumas formas de realização, o reator de cavitação compreende cavitação hidrodinâmica; ou em que o reator de cavitação compreende cavitação ultrassônica. Em algumas formas de realização, o reator de cavitação compreende cavitação hidrodinâmica e um reator de rotor estator; ou em que o reator de cavitação compreende cavitação ultrassônica e um reator de rotor estator. Em algumas formas de realização, o reator de cavitação compreende um reator de rotor estator, um reator de cisalhamento de bancada, um reator de cisalhamento de alta velocidade, um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de orifício, um reator de leito rotativo, um reator de disco giratório, um reator de correntes conflitantes, um reator supersônico de gás-sólido, um reator de ultrassonicação, um reator de sonicação de sonda, um reator misturador de cisalhamento ou uma combinação destes. Em algumas formas de realização, distribuir o gás compreende arrastar o gás, injetar o gás ou uma combinação destes. Em algumas formas de realização, o gás é arrastado para o líquido. Em algumas formas de realização, o gás é injetado no líquido. Em algumas formas de realização, o gás é borbulhado no líquido. Em algumas formas de realização, o gás é distribuído diretamente na região de cavitação durante a etapa de distribuição do gás. Em algumas formas de realização, as etapas de formação de bolhas de cavitação e distribuição do gás são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente (por exemplo, em 5 minutos, em 4 minutos, em 2 minutos, em 1 minuto, em 30 segundos, em 15 segundos, em 10 segundos, em 5 segundos ou em 1 segundo). Em algumas formas de realização, a etapa de formação de bolhas de cavitação compreende bolhas de cavitação de nucleação. Em algumas formas de realização, durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente para ou dentro de 1 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação, a região de nucleação de bolha de cavitação correspondendo à nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação durante a etapa de formação. Em algumas formas de realização, a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, em que o gás é distribuído diretamente dentro ou em 1 mm da nuvem de cavitação. Em algumas formas de realização, a dispersão é formada na região de cavitação do reator. Em algumas formas de realização, a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação; em que o material de carbono é formado dentro da nuvem de cavitação. Em algumas formas de realização, o líquido está substancialmente livre do material de carbono durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo. Em algumas formas de realização, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo. Em algumas formas de realização, fazer o material de carbono compreende nuclear o material de carbono no líquido. Em algumas formas de realização, fazer o material de carbono compreende nuclear o material de carbono no líquido e crescer o material de carbono no líquido. Em algumas formas de realização, o material de carbono é uma pluralidade de materiais de carbono.

[0075] Em algumas formas de realização, o reator de cavitação é ou compreende um reator de cavitação hidrodinâmica com uma região de pré- cavitação e uma região de orifício, em que a região de orifício está entre a região de pré-cavitação e a região de cavitação. A região de orifício compreende pelo menos um orifício, de modo que o líquido flua da região de pré-cavitação para a região de cavitação através de pelo menos um orifício. Em outras palavras, durante a etapa de distribuição do líquido, o líquido pode ser distribuído para a região de pré-cavitação de modo que o líquido flua subsequentemente da região de pré-cavitação, através de pelo menos um orifício, para a região de cavitação. Cada um dos pelo menos um orifício é caracterizado por um diâmetro interno que é menor do que um diâmetro interno da região de pré-cavitação. Em algumas formas de realização, um diâmetro interno da região de cavitação imediatamente fora de pelo menos um orifício é maior do que um diâmetro interno do orifício. Em algumas formas de realização, o gás é distribuído diretamente a uma extremidade de cavitação de pelo menos um orifício ou dentro de 1 mm de uma extremidade do pelo menos um orifício; a extremidade de cavitação de pelo menos um orifício sendo uma extremidade de pelo menos um orifício mais próxima da região de cavitação do reator de cavitação. Em algumas formas de realização, o gás é distribuído dentro de 1 mm (por exemplo, dentro de 0,8 mm, dentro de 0,6 mm, dentro de 0,5 mm, dentro de 0,3 mm, dentro de 0,2 mm) ou diretamente em um lado de saída de pelo menos um orifício (por exemplo, um ou mais tubos de distribuição de gás terminam e fornecem gás aos mesmos).

[0076] Em algumas formas de realização, durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente dentro de 1 mm, dentro de 0,8 mm, dentro de 0,6 mm, dentro de 0,5 mm, dentro de 0,3 mm, dentro de 0,2 mm, ou dentro de 0,1 mm, ou preferencialmente para algumas aplicações diretamente em uma região de nucleação de bolha de cavitação. A região de nucleação da bolha de cavitação corresponde ao local de nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação durante a etapa de formação. Em algumas formas de realização, durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente dentro de 1 mm, dentro de 0,8 mm, dentro de 0,6 mm, dentro de 0,5 mm, dentro de 0,3 mm, dentro de 0,2 mm, ou dentro de 0,1 mm, ou preferencialmente para algumas aplicações diretamente na região de reação (por exemplo, a região de cavitação) do reator.

[0077] Em algumas formas de realização, a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, em que o gás é distribuído diretamente para dentro de 1 mm, dentro de 0,8 mm, dentro de 0,6 mm, dentro de 0,5 mm, dentro de 0,3 mm, ou 0,2 mm, ou de preferência para algumas aplicações diretamente dentro da nuvem de cavitação.

[0078] Em algumas formas de realização, a dispersão é pelo menos parcialmente formada na região de reação (por exemplo, a região de cavitação) do reator. Em algumas formas de realização, a dispersão é substancialmente formada na região de reação (por exemplo, a região de cavitação) do reator. Em algumas formas de realização, a dispersão é pelo menos parcialmente formada na nuvem de cavitação do reator (quando o reator é um reator de cavitação). Em algumas formas de realização, a dispersão é substancialmente formada na nuvem de cavitação do reator (quando o reator é um reator de cavitação). Em algumas formas de realização, a dispersão é pelo menos parcialmente formada em uma região de nucleação de bolha de cavitação do reator (quando o reator é um reator de cavitação).

[0079] Em algumas formas de realização, a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação; em que o material de carbono é formado dentro da nuvem de cavitação. Em algumas formas de realização, o líquido está substancialmente livre do material de carbono ou núcleos do mesmo durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo. Por exemplo, o líquido está substancialmente livre do material de carbono ou núcleos do mesmo antes do líquido ser distribuído. Em algumas formas de realização, o líquido está substancialmente livre do material de carbono ou núcleos do mesmo antes do líquido entrar na região de cavitação do reator de cavitação. Por exemplo, o líquido está substancialmente livre do material de carbono ou núcleos do mesmo antes do líquido entrar em um orifício da região do orifício do reator de cavitação hidrodinâmica. Por exemplo, o líquido está substancialmente livre do material de carbono ou núcleos do mesmo antes do líquido sair de um orifício da região de orifício do reator de cavitação hidrodinâmica. Por exemplo, o líquido está substancialmente livre do material de carbono ou núcleos do mesmo antes que o líquido esteja dentro, dentro de 1 mm, ou dentro de 1 cm de uma região de nucleação de bolha de cavitação. Em algumas formas de realização, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material de sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo. Por exemplo, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol antes do líquido entrar em um orifício da região de orifício do reator de cavitação hidrodinâmica. Em alguns aspectos, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol antes do líquido sair de uma região de orifício do orifício do reator de cavitação hidrodinâmica. Por exemplo, o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol antes do líquido estar dentro, dentro de 1 mm, ou dentro de 1 cm de uma região de nucleação de bolha de cavitação.

[0080] Em algumas formas de realização, a formação ou nucleação do material de carbono ocorre dentro de 1 minuto (por exemplo, dentro de 30 segundos, 20 segundos, 5 segundos ou 1 segundo) após a formação das bolhas de cavitação no líquido. Em algumas formas de realização, a nucleação do material de carbono ocorre dentro de 1 minuto (por exemplo, dentro de 30 segundos, 20 segundos, 5 segundos ou 1 segundo) após a nucleação das bolhas de cavitação dentro de 1 mm (por exemplo, dentro de 0,8 mm, 0,6 mm, 0,5 mm, 0,3 mm ou 0,2 mm) de uma região de nucleação de bolha de cavitação enquanto o gás é distribuído para a região de cavitação.

[0081] Em algumas formas de realização, o método de produzir um material de carbono sólido compreende uma etapa de terminação da distribuição do gás na região de reação (por exemplo, a região de cavitação). Uma característica de tamanho do material de carbono pode mudar, diminuir ou, de preferência, para algumas aplicações, aumentar após a etapa de terminação. Por exemplo, partículas de material de carbono, como partículas de grafeno, ou núcleos das mesmas podem aumentar em: número de camadas de grafeno nas mesmas, comprimento de partícula ou camada, largura de partícula ou camada, diâmetro de partícula ou camada, espessura de partícula ou camada ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, partículas de material de carbono, como partículas de grafeno, ou núcleos das mesmas podem diminuir em: número de camadas de grafeno nas mesmas, comprimento da partícula ou camada, largura da partícula ou camada, diâmetro da partícula ou camada, espessura da partícula ou camada ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, a contrapressão (por exemplo, através do fechamento de uma válvula a jusante da região de cavitação e retenção do fluido nela enquanto continua a entregar o fluido) e/ou cisalhamento de borda (por exemplo, para líquido fluindo através de um orifício) pode levar à redução em uma característica de tamanho do material de carbono, como redução do tamanho das plaquetas de grafeno ou número de camadas nas plaquetas de grafeno. Em algumas formas de realização, o método de produzir um material de carbono sólido compreende reter a dispersão na região de reação (por exemplo, a região de cavitação) por um tempo que é menor ou igual a 60 minutos (por exemplo, menor ou igual a 30 minutos, menor ou igual a 20 minutos, menor ou igual a 10 minutos, menor ou igual a 5 minutos, menor ou igual a 1 minuto) ou selecionado na faixa de 1 a 60 minutos, 2 a 60 minutos, 1 a 30 minutos, 1 a 20 minutos, 1 a 10 minutos, ou de preferência para algumas aplicações 1 a 5 minutos após a etapa de término e enquanto o gás não é distribuído na região de reação (por exemplo, a região de cavitação). Por exemplo, a dispersão (ou líquido com material de carbono nele disperso) pode ser feita para circular ou de outra forma permanecer pelo menos parcialmente ou substancialmente dentro da região de reação (por exemplo, a região de cavitação) após o fornecimento de gás ser encerrado ou desligado de outra forma. Por exemplo, uma válvula pode ser pelo menos parcialmente fechada a jusante da região de reação (por exemplo, a região de cavitação) durante a etapa de retenção, a fim de reter pelo menos parcialmente a dispersão na região de reação (por exemplo, a região de cavitação). Por exemplo, durante a retenção da dispersão na região de cavitação, a dispersão está pelo menos parcialmente ou substancialmente dentro da nuvem de cavitação durante pelo menos 1%, pelo menos 10%, pelo menos 20%, pelo menos 50% ou pelo menos 75% da duração da etapa de retenção. Por exemplo, durante a retenção da dispersão na região de cavitação, a dispersão pode estar pelo menos parcialmente ou substancialmente dentro de uma região de nucleação de bolha de cavitação durante pelo menos 1%, pelo menos 10%, pelo menos 20%, pelo menos 50%, ou pelo menos 75% da duração da etapa de retenção. Em algumas formas de realização, durante a etapa de retenção, uma característica de tamanho do material de carbono pode mudar, diminuir ou, de preferência, para algumas aplicações, aumentar. Em algumas formas de realização, a concentração do material de carbono na dispersão permanece substancialmente constante durante a etapa de retenção após o fornecimento do gás ser encerrado e enquanto o gás não for distribuído na região de reação (por exemplo, a região de cavitação). Em algumas formas de realização, a concentração do material de carbono na dispersão diminui durante a etapa de retenção após o término da distribuição do gás. Por exemplo, o material de carbono pode nuclear no líquido durante a etapa de distribuição do gás, mas o material de carbono pode cessar substancialmente a nucleação após a distribuição de gás ser desligada, embora uma ou mais características de tamanho do material de carbono possam continuar a mudar. Por exemplo, devido à cessação da nucleação do material de carbono, a concentração do material de carbono pode ser constante ou pode diminuir se, por exemplo, partículas de material de carbono coalescerem (por exemplo, agregado e/ou aglomerado) e/ou o volume de líquido correspondente aos aumentos de dispersão. Em algumas formas de realização, durante a etapa de retenção da dispersão na região de reação (por exemplo, a região de cavitação) e após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de reação (por exemplo, a região de cavitação), o método de produzir um material de carbono sólido compreende ainda uma etapa de desgaseificação do líquido ou da dispersão para diminuir a concentração do gás arrastado nele.

[0082] Em algumas formas de realização, o método de fabricação de um material de carbono sólido compreende a recuperação do material de carbono, a partir da dispersão, em uma forma sólida ou em pó. A etapa de recuperação pode incluir, por exemplo, filtração, filtração a vácuo, evaporação de solvente, centrifugação ou qualquer combinação das mesmas.

[0083] Em algumas formas de realização, uma concentração de pelo menos um composto orgânico líquido no líquido (por exemplo, água) é selecionada na faixa de 1% em massa a 100% em massa. Em uma forma de realização, uma concentração de pelo menos um composto orgânico líquido no líquido é selecionada a partir da faixa de 25% em massa a 100% em massa.

[0084] Em algumas formas de realização, uma concentração do material de carbono sólido produzido no líquido é selecionada a partir da faixa de 0,0025% em massa a 7% em massa (por exemplo, 0,0075% em massa a 7% em massa, 0,01% em massa a 5% em massa, 0,1% em massa a 5% em massa, 0,5% em massa a 4% em massa, 1% em massa a 3% em massa, 1% em massa a 2% em massa). A concentração desejada pode depender da aplicação final da dispersão de material de carbono. Por exemplo, para um fluido de lubrificação, a concentração desejada pode ter substancialmente cerca de 0,01% em massa de material de carbono. Por exemplo, para fazer pó de grafeno, a concentração pode ter substancialmente cerca de 5% em massa de material de carbono.

[0085] Em algumas formas de realização, o pelo menos um composto orgânico líquido compreende ou é selecionado a partir do grupo que consiste em um monômero, um oligômero, um pré-polímero, um polímero, um solvente orgânico e qualquer combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o pelo menos um composto orgânico líquido compreende termos poliuretano TPU e/ou epóxi. Em algumas formas de realização, o pelo menos um composto orgânico líquido compreende ou é selecionado a partir do grupo que consiste em metanol, etanol, álcool isopropílico, metilpirrolidona, d- ciclopentadieno, hexano, benzeno, tolueno, heptano, xileno, dimetilsulfóxido, óleo mineral, óleo de motor, óleo de motor MOBILE 1™, óleo de motor Syn 530, AMSOIL™ , NonSyn, QUAKER STATE™ 530, óleo de base, óleo de rícino hidrogenado, óleo de transmissão, óleo de engrenagens, óleo vegetal, óleo à base de hidrocarboneto, óleo aditivado, óleo não aditivo (por exemplo, óleo de alto carbono), querosene, combustível diesel, etileno glicol, propileno glicol, dietileno glicol, trietilamina, trimetilamina, pentano, ciclopentano, ciclohexano, 1,4-dioxano, clorofórmio, éter dietílico, diclorometano, tetrahidrofurano, acetato de etila, acetona, dimetilformamida, acetonitrila, nitrometano, carbonato de propileno, ácido fórmico, butanol, propanol, ácido acético, octadeceno, ácido oleico, oleilamina, octano, éter dietileno glicol, 1,2-diclorobenzeno, acetato de metila, tetracloroetileno, difeniltioureia, hexafluro-2-propanol, ácido cinâmico, trimetilamina, benzentiol, etanotiol, etanoditiol, 4-aminobenzenotiol, ácido acrílico, dissulfeto de carbono, 1,2-diclorobenzeno, N-metil-2-pirrolidona e qualquer combinação dos mesmos.

[0086] Em algumas formas de realização, o composto orgânico gasoso compreende ou é selecionado a partir do grupo que consiste em alcano, alceno, alcino, cicloalcano, heterocicloalcano, areno, heteroareno e uma combinação dos mesmos. O alcano pode ser, por exemplo, alcanos C1-20, alcanos C1-12, alcanos C1-8, alcanos C1-6, alcanos C1-4. O alceno pode ser, por exemplo, alcenos C1-20, alcenos C1-12, alcenos C1-8, alcenos C1-6, alcenos C1-4. O alcino pode ser, por exemplo, alcinos C1-20, alcinos C1-12, alcinos C1-8, alcinos C16, alcinos C1-4. O cicloalcano pode ser, por exemplo, cicloalcano C3-10, cicloalcano C3-6. O heterocicloalcano pode ser, por exemplo, um sistema de anel estável, saturado ou parcialmente insaturado, monocíclico, bicíclico e espiro contendo 3 a 7 membros do anel de átomos de carbono e outros heteroátomos selecionados a partir de N, S e/ou O. Exemplos de tais os heterocicloalcanos incluem isoxazol, tiazolina, imidazolidina, piperazina, homopiperazina, pirrol, pirrolina, pirazol, pirano, piperidina, oxazol e morfolina. O areno pode ser, por exemplo, areno C630, areno C6-18, areno C6-10, tal como benzeno e naftaleno. O heteroareno pode ser, por exemplo, um grupo monocíclico aromático de 5 ou 6 membros, grupo bicíclico de 9 ou 10 membros, ou grupo tricíclico de 11 a 14 membros, cada um com pelo menos um heteroátomo (O, S ou N) em pelo menos um dos anéis e cada anel tem pelo menos um átomo de carbono. Exemplos ilustrativos de heteroareno incluem piridina, piridazina, pirimidina, pirazina, benzimidazol, triazina, imidazol, (1,2,3)- e (1,2,4)-triazol, pirazina, tetrazol, furano, benzofurano, pirrol, tieno, isotiazol, tiazol, isoxazol e oxadiazol). O alcano, alceno, alcino, cicloalcano, heterocicloalcano, areno e heteroareno podem ser opcionalmente substituídos por um ou mais substituintes (por exemplo, 1 a 5, 1 a 4, 1 a 3, ou 1 ou 2), tais como alquila, arila, halo (F, Cl, Br, I), nitro (-NO2), ciano (-CN), hidroxi (-OH), tiol (-SH), alcoxi (-OR), formila (-C(O)H), carboxi (-COOH), carboxialquila (-RCOOH), alquilcarboxi (-C(O)OR), amido (-C(O)NH ou -NHC(O)H), mono- ou dialquilamido (-C(O)NRR’ ou - NRC(O)H), amino, ou mono- ou dialquilamino, em que R é alquila e R’ é hidrogênio ou alquila, como aqui descrito.

[0087] Exemplos do composto orgânico gasoso incluem metano, acetileno, etileno, propano, 1,3-butadieno, butano e qualquer combinação dos mesmos.

[0088] O composto orgânico gasoso é fornecido a uma taxa de fluxo que é adequada para o tipo de reator e as condições utilizadas. Em algumas formas de realização, o composto orgânico gasoso é caracterizado por uma taxa de fluxo selecionada a partir da faixa de 6 ml/min a 15 ml/min (por exemplo, 6 ml/min a 12 ml/min, 7 ml/min a 10 ml/min) na região de reação de um reator, particularmente quando o reator é um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de cisalhamento de bancada ou um reator de cisalhamento de alta velocidade (por exemplo, Charles Ross HSM-700).

[0089] Em algumas formas de realização, o gás compreende um composto redutor (por exemplo, hidrogênio), um composto oxidante (por exemplo, oxigênio, ozônio, peróxido ou água), um composto inerte (por exemplo, argônio, nitrogênio) ou qualquer combinação destes.

[0090] Em algumas formas de realização, o líquido é caracterizado por uma temperatura do volume inferior a 400 °C, inferior a 300 °C, inferior a 200 °C, inferior ou igual a 100 °C, inferior ou igual a 80 °C, inferior ou igual a 50 °C, inferior ou igual a 40 °C, inferior ou igual a 35 °C e/ou 20 °C ou mais na região de reação (por exemplo, região de cavitação). Em algumas formas de realização, o gás é caracterizado por uma temperatura do volume inferior a 400 °C, inferior a 300 °C, inferior a 200 °C, inferior ou igual a 100 °C, inferior ou igual a 80 °C, inferior ou igual a 50 °C, inferior ou igual a 40 °C, inferior ou igual a 35 °C e/ou 20 °C ou maior no reator, opcionalmente na ou próximo à região de reação (por exemplo, região de cavitação). Quaisquer dois dos pontos de extremidade anteriores podem ser usados para definir um intervalo de extremidade fechada ou um único ponto de extremidade pode ser usado para definir um intervalo de extremidade aberta.

[0091] Em algumas formas de realização, o líquido é caracterizado por uma taxa de fluxo selecionada a partir da faixa de 5 l/min a 200 l/min (por exemplo, 5 l/min a 100 l/min, 5 l/min a 50 l/min, 10 l/min a 200 l/min, ou 10 l/min a 100 l/min) na região de reação de um reator, tal como uma região de cavitação de um reator de cavitação hidrodinâmica ou um reator de cavitação de sonicação, um reator de cisalhamento ou um reator do tanque de agitação. Em algumas formas de realização, o gás é distribuído (por exemplo, injetado) a uma pressão selecionada a partir da faixa de 2 psi a 150 psi (por exemplo, 2 a 100 psi, 5 a 100 psi, 10 a 90 psi, 20 a 70 psi) na região de reação (por exemplo, região de cavitação). Em algumas formas de realização, a pressão na região de reação (por exemplo, região de cavitação) é selecionada a partir da faixa de 10 psi a 5.000 psi (por exemplo, 200 psi a 4.000 psi, 1.000 a 3.000 psi). Em algumas formas de realização, o reator compreende um rotor estator e em que o rotor estator é operado a uma velocidade de rotação selecionada a partir da faixa de 200 rpm a 14.000 rpm (por exemplo, 250 a 12.000 rpm, 500 a 10.000 rpm, 1.000 a 5.000 rpm, 1.000 a 1.200 rpm) na região de reação (por exemplo, região de cavitação) do reator. Em algumas formas de realização, o tempo de residência do líquido no reator (por exemplo, reator de cavitação) é selecionado a partir da faixa de 0,05 a 20 segundos. Em algumas formas de realização, o método é realizado por um tempo de processo de pelo menos 1 minuto e, de preferência, até 60 minutos (por exemplo, pelo menos 2 min, pelo menos 5 min, pelo menos 10 min e/ou até 15 min, até a 20 min, a 30 min, a 40 min, a 50). Quaisquer dois dos pontos de extremidade anteriores podem ser usados para definir um intervalo de extremidade fechada ou um único ponto de extremidade pode ser usado para definir um intervalo de extremidade aberta. Em algumas formas de realização, o reator (por exemplo, reator de cavitação) compreende um reator de ultrassonicação, no qual o reator de ultrassonicação é operado em uma frequência de ultrassonicação de 20 kHz a 300 kHz e uma faixa de amplitude de 10 a 100%.

[0092] Em geral, o material de carbono sólido não é produzido quando o método é realizado na ausência da etapa de distribuição do gás com etapas e condições equivalentes.

[0093] Em algumas formas de realização, o método de fabricação de um material de carbono sólido compreende a funcionalização do material de carbono sólido para fornecer um material de carbono sólido funcionalizado. Em algumas formas de realização do método de fabricação de um material de carbono sólido, a dispersão é uma primeira dispersão, o material de carbono é um material precursor e o reator de cavitação é um primeiro reator de cavitação; o método compreendendo ainda: distribuir a primeira dispersão em um segundo reator de cavitação; formar bolhas de cavitação na primeira dispersão dentro de uma região de cavitação do segundo reator de cavitação; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente na região de cavitação do segundo reator de cavitação; convertendo assim o material precursor em um segundo material de carbono, o segundo material de carbono estando na forma de uma segunda dispersão compreendendo o segundo material de carbono disperso no líquido; em que o material precursor e o segundo material de carbono são diferentes. Em algumas formas de realização, o primeiro reator de cavitação e o segundo reator de cavitação são iguais.

[0094] Em algumas formas de realização, a dispersão é uma primeira dispersão, a reação química é uma primeira reação química, o gás é um primeiro gás, o reator é um primeiro reator e o material de carbono sólido é um material precursor. Em tais formas de realização, o método compreende ainda: distribuir a primeira dispersão em um segundo reator; distribuir um segundo gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente em uma região de reação do segundo reator; e induzir uma segunda reação química na região de reação do segundo reator; em que: a segunda reação química converte o material precursor em um segundo material de carbono sólido; o segundo material de carbono é disperso no líquido; e o material precursor e o segundo material de carbono são diferentes. Opcionalmente, o segundo reator é um reator de cavitação e a etapa de indução compreende a formação de bolhas de cavitação na primeira dispersão dentro da região de reação do segundo reator, como aqui descrito. Opcionalmente, o primeiro reator e o segundo reator são iguais.

[0095] Em algumas formas de realização, a dispersão é um coloide, uma suspensão ou uma combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o material de carbono compreende grafite, grafite expandida, um material semelhante a grafite, grafeno, um material semelhante a grafeno, plaquetas de carbono, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outro alótropo de carbono, um composto compreendendo grafeno, grafeno catiônico ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o material de carbono compreende enxofre e grafeno ou compreende nitreto de boro hexagonal e grafeno. Em algumas formas de realização, o material de carbono compreende grafeno ou um material semelhante ao grafeno. Em algumas formas de realização, o material de carbono é grafeno ou um material semelhante ao grafeno. Em algumas formas de realização, o material de carbono compreende um nanocompósito de polímero-grafeno. Em algumas formas de realização, o grafeno é grafeno ondulado, grafeno amassado (sic. cmmpled), grafeno com orifícios ou qualquer combinação dos mesmos.

[0096] Em algumas formas de realização, o material de carbono sólido é caracterizado por um teor de oxigênio menor ou igual a 10% em at. (por exemplo, menor ou igual a 7% em at., menor ou igual a 5% em at., menor ou igual a 1% em at., menor ou igual a 0,5% em at., ou menor ou igual a 0,1% em at.) (“% em at.” é a porcentagem atômica). Em algumas formas de realização, o material de carbono é caracterizado por uma razão de concentrações atômicas de carbono: oxigênio, como pelo menos 150: 1, pelo menos 175: 1, pelo menos 200: 1, pelo menos 225: 1 ou pelo menos 249: 1 Em algumas formas de realização, o material de carbono é substancialmente livre de oxigênio. Em algumas formas de realização, o material de carbono é cristalino (por exemplo, grafeno cristalino). Em algumas formas de realização, a cavitação hidrodinâmica cria plaquetas semelhantes ao grafeno mícron. Em algumas formas de realização, alto cisalhamento produz material de grafeno cristalino. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -160 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +20 mV ou menor que -20 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +30 mV ou menor que -30 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -40 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +50 mV ou menor que -50 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +60 mV ou menor que -60 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um valor absoluto do potencial Zeta selecionado a partir da faixa de 20 mV a 100 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um valor absoluto do potencial Zeta selecionado a partir da faixa de 20 mV a 80 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um valor absoluto do potencial Zeta selecionado a partir da faixa de 20 mV a 70 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um valor absoluto do potencial Zeta selecionado a partir da faixa de 20 mV a 60 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um valor absoluto do potencial Zeta selecionado a partir da faixa de 20 mV a 50 mV. Em algumas formas de realização, a dispersão é caracterizada por um coeficiente de atrito que é reduzido em pelo menos 5%, de preferência pelo menos 10%, mais preferencialmente pelo menos 20%, ainda mais preferencialmente pelo menos 30% e ainda mais preferencialmente pelo menos 50% em relação ao mesmo líquido sem o material de carbono sólido.

[0097] Foi descoberto que a formação in situ de um material de carbono sólido em uma dispersão aumenta a lubrificação de um fluido. O aumento pode ser medido em termos de uma redução na cicatriz de desgaste e/ou coeficiente de fricção para o mesmo líquido sem o material de carbono sólido. Em algumas formas de realização, a dispersão é caracterizada por uma cicatriz de desgaste que é reduzida em pelo menos 3%, opcionalmente pelo menos 5%, de preferência pelo menos 10%, mais preferencialmente pelo menos 20%, ainda mais preferencialmente pelo menos 30% e ainda mais preferencialmente pelo menos 50% em relação ao mesmo líquido sem o material de carbono sólido. O valor da cicatriz de desgaste pode ser medido por qualquer técnica adequada, incluindo ASTM D 4172, Quatro esferas de desgaste de óleo com gráfico de coeficiente de atrito. Em algumas formas de realização, o método compreende ainda o uso do material de carbono sólido ou a dispersão para redução do atrito. Em algumas formas de realização, a dispersão reduz um coeficiente de atrito em pelo menos 5% (por exemplo, pelo menos 10%, pelo menos 20%, pelo menos 30%, pelo menos 40%, pelo menos 50% e/ou até 80%, até 70%, até 60% ou até 50%). Quaisquer dois dos pontos de extremidade anteriores podem ser usados para definir um intervalo de extremidade fechada ou um único ponto de extremidade pode ser usado para definir um intervalo de extremidade aberta. Em algumas formas de realização, a dispersão é usada para redução de atrito sem limpar ou isolar o material de carbono da dispersão. Em algumas formas de realização, o material de carbono ou a dispersão faz parte de uma bateria (por exemplo, um ânodo de bateria e/ou cátodo de bateria), um material eletricamente condutor, um material termicamente condutor, um fluido lubrificante e/ou um fluido de transferência de calor. Opcionalmente, o método compreende a redução do atrito in situ.

[0098] Em algumas formas de realização, o reator (por exemplo, reator de cavitação, reator de tanque de agitação) compreende um sistema de resfriamento. Em algumas formas de realização, o reator (por exemplo, reator de cavitação, reator de tanque de agitação) compreende um trocador de calor e/ou resfriador. Em algumas formas de realização, o reator (por exemplo, reator de cavitação, reator de tanque de agitação) compreende uma pluralidade de regiões de reação (por exemplo, regiões de cavitação). Em algumas formas de realização, o reator de cavitação hidrodinâmica compreende uma pluralidade de orifícios.

[0099] Também é divulgado aqui um método para funcionalizar um primeiro material de carbono sólido disperso em um líquido, o primeiro material precursor de carbono sólido disperso no líquido sendo uma primeira dispersão, em que o método compreende as etapas de: distribuição da primeira dispersão em uma região de reação de um reator; em que o líquido compreende pelo menos um composto orgânico líquido; distribuir um gás na região de reação do reator; e induzir uma reação química de funcionalização, em que: a reação química de funcionalização forma um segundo material de carbono a partir do primeiro material de carbono; a reação química de funcionalização ocorre na região de reação do reator; e o segundo material de carbono sólido é feito durante a reação na forma de uma segunda dispersão, a segunda dispersão compreendendo o segundo material de carbono sólido disperso no líquido. Opcionalmente, a reação química de funcionalização compreende a funcionalização química, física ou química e física do primeiro material de carbono sólido. Opcionalmente, o primeiro material de carbono sólido compreende óxido de grafeno, grafite, grafite expandida, um material semelhante a grafite, grafeno, um material semelhante a grafeno, as plaquetas de carbono, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outra forma alotrópica de carbono, um compósito compreendendo grafeno, grafeno catiônico, ou qualquer combinação dos mesmos. Opcionalmente, o segundo material de carbono sólido compreende, óxido de grafeno reduzido, óxido de grafeno, grafeno oxidado na ponta, grafite, grafite expandida, um material semelhante a grafite, grafeno, um material semelhante a grafeno, as plaquetas de carbono, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outro alótropo de carbono, um compósito compreendendo grafeno, grafeno catiônico ou qualquer combinação dos mesmos. Opcionalmente, o primeiro material de carbono sólido compreende óxido de grafeno e o segundo material de carbono sólido compreende óxido de grafeno reduzido. Opcionalmente, uma porcentagem atômica de oxigênio no segundo material de carbono é pelo menos 50% menor do que uma porcentagem atômica de oxigênio no primeiro material de carbono. Opcionalmente, a reação química de funcionalização compreende a oxidação do primeiro material de carbono sólido de modo que o segundo material de carbono sólido seja solúvel em água. Opcionalmente, o líquido compreende água e a segunda dispersão é uma dispersão aquosa do segundo material de carbono na água. Opcionalmente, a reação química de funcionalização compreende adicionar átomos de oxigênio ao primeiro material de carbono sólido, remover átomos de oxigênio do primeiro material de carbono sólido, adicionar átomos de carbono ao primeiro material de carbono sólido, adicionar átomos de nitrogênio ao primeiro material de carbono sólido, adicionar átomos de enxofre ao primeiro material de carbono sólido, ou uma combinação dos mesmos. Opcionalmente, o gás compreende oxigênio, vapor de água, hidrogênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, CO2, ozônio, ou qualquer combinação dos mesmos. Opcionalmente, o reator é um reator de cavitação e a região de reação é uma região de cavitação; o método compreende a formação de bolhas de cavitação no líquido dentro da região de cavitação do reator de cavitação; e o gás é injetado diretamente na região de cavitação. Opcionalmente, o primeiro material de carbono sólido não está quimicamente associado a um substrato sólido durante a reação química de funcionalização. Opcionalmente, o gás compreende pelo menos um composto orgânico gasoso (por exemplo, metano, acetileno, etileno, propano, 1,3-butadieno, butano e combinações dos mesmos).

[00100] Em um aspecto, é fornecido neste documento um método para funcionalizar um material disperso em um líquido, o material disperso no líquido sendo uma primeira dispersão, o método compreende as etapas de: distribuição da primeira dispersão em um reator de cavitação; em que o líquido compreende pelo menos um composto orgânico líquido; formar bolhas de cavitação no líquido dentro de uma região de cavitação do reator de cavitação hidrodinâmica; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente na região de cavitação do reator de cavitação; funcionalizando assim o material para formar uma segunda dispersão, a segunda dispersão compreendendo o material funcionalizado disperso no líquido. Em algumas formas de realização, a funcionalização do material compreende a funcionalização química, física ou química e física do material. Em algumas formas de realização, o material compreende grafeno, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outro alótropo de carbono, nitreto de boro hexagonal ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o material funcionalizado compreende óxido de grafeno. Em algumas formas de realização, a funcionalização compreende adicionar átomos de oxigênio ao material, remover átomos de oxigênio do material, adicionar átomos de nitrogênio ao material, adicionar átomos de enxofre ao material ou uma combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o gás compreende oxigênio, vapor de água, hidrogênio, nitrogênio, dióxido de enxofre ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas formas de realização, o gás é distribuído diretamente na região de cavitação durante a etapa de distribuição do gás. Em algumas formas de realização, as etapas de formação de bolhas de cavitação e distribuição do gás são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente (por exemplo, em 5 minutos, em 4 minutos, em 2 minutos, em 1 minuto, em 30 segundos). Em algumas formas de realização, a etapa de formação de bolhas de cavitação compreende bolhas de cavitação de nucleação. Em algumas formas de realização, durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente para ou dentro de 1 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação, a região de nucleação de bolha de cavitação correspondendo à nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação durante a etapa de formação. Em algumas formas de realização, a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, em que o gás é distribuído diretamente dentro ou em 1 mm da nuvem de cavitação. Em algumas formas de realização, o método de funcionalização de um material compreende terminar a entrega do gás e reter a dispersão na região de cavitação enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação. Em algumas formas de realização, durante a etapa de retenção da dispersão na região de cavitação e após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação, o método de funcionalização compreende ainda uma etapa de desgaseificação da dispersão para diminuir uma concentração do gás contido nele.

[00101] Em algumas formas de realização, o reator de cavitação hidrodinâmica compreende uma região de pré-cavitação e uma região de orifício, em que a região de orifício está entre a região de pré-cavitação e a região de cavitação. A região de orifício compreende pelo menos um orifício, de modo que o líquido flua da região de pré-cavitação para a região de cavitação através de pelo menos um orifício. Em outras palavras, durante a etapa de distribuição do líquido, o líquido pode ser distribuído para a região de pré-cavitação de modo que o líquido flua subsequentemente da região de pré-cavitação, através de pelo menos um orifício, para a região de cavitação. Cada um dos pelo menos um orifício é caracterizado por um diâmetro interno do orifício que é menor do que um diâmetro interno da região de pré-cavitação. Em algumas formas de realização, um diâmetro interno da região de cavitação imediatamente fora de pelo menos um orifício é maior do que um diâmetro interno do orifício. Em algumas formas de realização, o gás é distribuído dentro de 1 mm (por exemplo, dentro de 0,8 mm, dentro de 0,6 mm, dentro de 0,5 mm, dentro de 0,3 mm, dentro de 0,2 mm) ou diretamente em uma extremidade (por exemplo, saída) de pelo menos um orifício (por exemplo, um ou mais tubos de fornecimento de gás terminam e fornecem gás aos mesmos).

[00102] Também é divulgado aqui um método para produzir um material de carbono sólido ou dispersão do mesmo compreendendo qualquer uma ou qualquer combinação de formas de realização dos métodos aqui divulgados, incluindo métodos para fabricar um material de carbono sólido e métodos para funcionalizar um material. Também é divulgado aqui um método para funcionalizar um material de carbono sólido compreendendo qualquer uma ou qualquer combinação de formas de realização dos métodos aqui divulgados, incluindo métodos para fabricar um material de carbono sólido e métodos para funcionalizar um material.

[00103] Estão incluídos aqui métodos para fabricar materiais de carbono sólido, que são compatíveis com uma variedade de tecnologias de reator. Geralmente, e sem desejar estar vinculado a qualquer teoria particular, os reatores utilizáveis para os métodos aqui divulgados facilitam uma reação química que inclui a transferência de massa gás-líquido a fim de produzir o(s) material(is) de carbono sólido(s). Reatores que facilitam uma reação química que inclui transferência de massa gás-líquido a fim de produzir o(s) material(is) de carbono sólido(s) serão referidos neste documento como “reatores de transferência de massa gás-líquido”. Os reatores de cavitação, tais como aqueles aqui descritos, podem ser reatores de transferência de massa gás- líquido exemplificativos que facilitam uma reação química que inclui a transferência de massa gás-líquido a fim de produzir o(s) material(is) de carbono sólido(s). Reatores de cisalhamento, tais como aqueles aqui descritos, podem ser reatores de transferência de massa gás-líquido exemplificativos que facilitam uma reação química que inclui transferência de massa gás-líquido a fim de produzir o(s) material(is) de carbono sólido(s). Em certas formas de realização, os reatores de tanque de agitação, como aqui descritos, incluindo um agitador, como um agitador de indução de gás, podem produzir cisalhamento para facilitar uma reação química que inclui a transferência de massa gás-líquido a fim de produzir o(s) material(is) de carbono sólido(s) Reatores relevantes que podem ser usados como reatores de transferência de massa gás-líquido de acordo com formas de realização aqui descritas incluem, mas não estão limitados a: reatores de tanque agitado ou rotativo (incluindo reatores de turbina, monólito e espuma), reatores de tubo rotativo (incluindo reatores de leito fixo, de leito em zigue zague, de leito fluidizado, de Taylor-Couette e de tubo-em-tubo), reatores de disco rotativo (incluindo reatores de rotor estator, de filme fino e de disco rotativo), reatores de ondas de choque e reatores de fluxo contínuo.

[00104] Deve-se notar, no entanto, que os reatores aqui descritos, tais como reatores de cavitação e reatores de tanque de agitação, por exemplo, não são necessariamente reatores de transferência de massa gás-líquido ou não são necessariamente (inerentemente) usados de uma forma que facilite uma reação química que inclui a transferência de massa gás-líquido para fazer o(s) material(is) sólido(s) de carbono. Os métodos divulgados neste documento descrevem como facilitar a transferência de massa gás-líquido para produzir materiais de carbono sólidos em reatores que podem ser configurados para serem compatíveis com os métodos descritos neste documento.

[00105] Sem desejar ser limitado por qualquer teoria em particular, um processo ou mecanismo de transferência de massa gás-líquido, conforme usado neste documento, pode envolver três etapas: (1) transferência de massa gás-líquido, (2) que dá origem a reações químicas que (3) produz material(is) de carbono sólido(s), como material(is) do tipo grafeno ou carbono do tipo cebola (OLC). A transferência de massa gás-líquido é um fenômeno físico que, sob certas condições, dá origem a reações químicas. Essas reações ocorrem quando as moléculas de gás difundidas são trocadas em uma interface gás- líquido. Para facilitar a produção de materiais sólidos de carbono, de acordo com as formas de realização aqui, o gás é preferencialmente disperso em um líquido com pequenas bolhas de gás. Bolhas menores criam maior área de superfície na interface e, portanto, produzem maior transferência de gás para o líquido (ver, por exemplo, Sideman et al., Ind. Eng. Chem. 1966, 58, 7, 32-47). Sem querer ser limitado por nenhuma teoria particular, o fenômeno de “transferência de massa com reação química” ocorre sempre que uma fase é posta em contato com uma ou mais fases que não estão em equilíbrio químico com ela. Esse fenômeno tem importância industrial, biológica e fisiológica. Na engenharia de processos químicos, ele é encontrado tanto em processos de separação quanto em engenharia de reação. Em alguns casos, uma reação química pode ser empregada deliberadamente para acelerar a taxa de transferência de massa e/ou para aumentar a capacidade do solvente; em outros casos, o sistema de reação multifásico é uma parte do processo com o objetivo específico de formação do produto.

[00106] Sem desejar ser limitado por qualquer teoria particular, reatores de transferência de massa gás-líquido aceleram a transferência de gás para líquido adicionando condições de alta pressão, calor ou mistura extrema, cisalhamento ou uma combinação de cada um. Inúmeras tecnologias de reator de transferência de gás-líquido foram desenvolvidas, algumas das quais são sistemas em escala piloto (Visscher et al., Chemical Engineering Research And Design, 2013, 91, 1923-1940), outras são sistemas em escala industrial, como tratamento de água industrial, hidrogenação catalítica líquida e remoção de CO2 pela reação de gás CO2 com solventes reativos (Numerical Gas-Liquid Mass Transfer : Application In Water Treatment Process And Experimental Validation, Outubro de 1999, Conference: Second European Congress Of Chemical Engineering (Ecce2), em: Montpellier, França; Yuea et al., Academia Chinesa de Ciências, Pequim 100039, 21 de dezembro de 2006 Disponível online em 17 de janeiro de 2007 e Introduction To Modeling Of Mass Transfer Processes, P. A. Ramachandran, 14 de março de 2018).

[00107] Quando um gás reage com um líquido, a transferência de massa ocorre simultaneamente com a reação química. Em tal situação, a cinética química está acoplada ao transporte de massa, o que significa que não há mais uma simples reação química, mas sim um complexo processo químico- físico. Dependendo do reator e de vários parâmetros operacionais, o processo pode tender a ter uma taxa de difusão limitada ou uma taxa de reação limitada. Por exemplo, o processo pode ser visto como requerendo primeiro a infusão de gás no fluido como uma bolha, que é limitada por difusão, seguida por uma reação na interface do fluido e gás na bolha.

[00108] A teoria da engenharia química básica postula uma relação linear entre o grau de agitação, cisalhamento ou mistura e um resultado geral (Kgeral), como em sistemas de reator de tanque de agitação. Em taxas mais baixas de agitação, o processo é limitado pela taxa de “difusão”, mas em um certo nível de agitação, há uma zona de transição onde o resultado estabiliza em platô e torna-se limitada pela taxa de “reação”. Isso está ilustrado na Figura 22, por exemplo, um diagrama de Kgeral vs rpm do agitador do livro “Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering” de Jonathan Wostell, 2016.

[00109] Também é importante levar em consideração o grau em que o gás é solúvel no líquido. Se o gás for moderadamente solúvel no líquido, o processo tenderá a ter uma taxa de difusão limitada.

[00110] Como será apreciado a partir das discussões anteriores e seguintes, uma melhoria notável dos métodos e sistemas descritos neste documento em relação às tecnologias convencionais para produzir materiais de carbono sólido, incluindo particularmente grafeno e materiais semelhantes ao grafeno, por exemplo, é que os materiais de carbono sólido são feito na forma de dispersões in situ. Em outras palavras, como produzidos e após serem produzidos, os materiais sólidos de carbono são dispersos no líquido hospedeiro. Em contraste, certas tecnologias convencionais para fazer grafeno, tais como aquelas que utilizam deposição química de vapor, formam grafeno ou de outra forma fisicamente e/ou quimicamente associado a um substrato sólido. De acordo com tais tecnologias convencionais, a obtenção de uma dispersão de grafeno requer a remoção subsequente do grafeno do referido substrato e, em seguida, a dispersão do grafeno em um líquido, não fazendo assim uma dispersão in situ. Dispersões de grafeno, ou outros materiais de carbono sólido, são úteis para várias aplicações, incluindo, mas não se limitando a, lubrificação. Além disso, as dispersões podem ser mais fáceis e seguras de trabalhar do que os pós sólidos secos, mesmo nos casos em que o uso final requer um material de carbono sólido na forma de pó. Além disso, secar ou filtrar uma dispersão pode ser mais fácil e menos caro do que a química necessária para dispersar um pó sólido em um solvente. Assim, os métodos aqui divulgados são vantajosos ao fornecer dispersões in situ compreendendo material(is) de carbono sólido(s) que são produzidos em uma única etapa em vez de múltiplas etapas. Em uma forma de realização, a presente invenção fornece uma dispersão compreendendo pelo menos um material de carbono sólido em um líquido, em que pelo menos um material de carbono sólido é produzido de acordo com qualquer um dos métodos descritos neste documento. O material de carbono sólido e o líquido são conforme descritos ao longo do texto. Em algumas formas de realização, a dispersão pode ser descrita como estável, de modo que as partículas de material de carbono sólido permaneçam dispersas na dispersão e não sedimentem ou precipitem do líquido da dispersão por um período de tempo prescrito (por exemplo, pelo menos 1 hora, em pelo menos 2 horas, pelo menos 3 horas, pelo menos 5 horas, pelo menos 12 horas, pelo menos 24 horas, pelo menos 36 horas, pelo menos 48 horas ou pelo menos 1 semana) sob temperatura e pressão normais (NTP) e exposição para o ar.

[00111] Ao longo da seguinte descrição, são descritos reatores de cavitação hidrodinâmica e métodos que empregam reatores de cavitação hidrodinâmica. Como evidente a partir do exposto, os reatores de cavitação hidrodinâmica, como usados e descritos neste documento, são um subconjunto de reatores de transferência de massa gás-líquido que são compatíveis com os métodos divulgados neste documento para produzir e para funcionalizar materiais de carbono sólido.

[00112] Uma porção de um reator de cavitação hidrodinâmica exemplificativo (100) útil para os métodos aqui divulgados é ilustrada na Figura 1. A reação de cavitação hidrodinâmica (100) é um reator exemplificativo para produzir um material de carbono sólido, de acordo com certas formas de realização daqui. O reator de cavitação hidrodinâmica (100) inclui uma câmara de pré-cavitação (102), um volume interno da qual corresponde a uma região de pré-cavitação (104). A câmara de pré-cavitação (102) está operacionalmente conectada a uma placa de orifício (106). A placa de orifício (106) compreende um orifício (110) tendo um região de orifício (108). A placa de orifício (106) está operacionalmente conectada à câmara de cavitação (112). Um volume interno da câmara de cavitação (112) corresponde a uma região de cavitação (114). A conexão operável entre a câmara de pré-cavitação (102), a placa de orifício (106) e a câmara de cavitação (112) permite que um líquido (120), que é distribuído para a região de pré-cavitação (104) da câmara de pré-cavitação (102), flua da região de pré-cavitação (104), através da região de orifício (108) do orifício (110) e para a região de cavitação (114) da câmara de cavitação (112), como ilustrado pelas setas de direção de fluxo de líquido (122(I) e 122 (II)). Uma mudança repentina de pressão associada com a transição do líquido (120) da região de orifício (108) para a região de cavitação (114) causa a formação de bolhas de cavitação (118) em uma região de nucleação de bolha de cavitação (116). A região de cavitação (114), incluindo a região de nucleação de bolha de cavitação (116), corresponde a uma “região de reação” do reator. A região de cavitação (114) compreende a região de nucleação de bolha de cavitação (116). Por exemplo, as bolhas de cavitação são nucleadas imediatamente na interface entre o orifício (110) e a câmara de cavitação (112). O reator de cavitação hidrodinâmica (100) compreende ainda tubos de distribuição de gás (124(I) e 124(II)) para fornecer um gás (126) para a região de cavitação (114), tal como diretamente para a região de nucleação da bolha de cavitação (116). As setas de direção do fluxo de gás (128(I) e 128(II)) mostram a direção do fornecimento de gás. Opcionalmente, o reator (100) inclui um tubo de distribuição de gás ou mais de dois tubos de distribuição de gás. Opcionalmente, o reator (100) inclui mais de um orifício (110). Os reatores de cavitação hidrodinâmica úteis para os métodos aqui divulgados podem ter outras configurações, incluindo características e configurações de reatores de cavitação hidrodinâmicas conhecidos na técnica.

[00113] Incluído aqui está um método de criação de materiais de carbono in situ na nuvem de cavitação de um reator de cavitação hidrodinâmica, sem material de partida de carbono (por exemplo, material grafítico). Isso é obtido pela injeção de gás na parte de trás (por exemplo, saída) de um orifício de cavitação onde as bolhas de cavitação são formadas. Este é essencialmente um processo de fabricação aditivo onde há uma formação e acúmulo de novo material de carbono. O tipo, volume, tamanho e volume do material de carbono são co-determinados pela seleção de solventes, gás, tempo de execução, pressão do gás, fluxo de fluido e/ou configuração do orifício. O reator alimentado com gás também pode ser implementado com material grafítico inicial para formar materiais adicionais ou para remover defeitos físicos do grafeno existente. O processo também pode ser implementado com vários gases para funcionalizar o grafeno, o boro hexagonal ou outros materiais semelhantes ao carbono. Em comparação com os processos convencionais, os métodos divulgados neste documento podem levar minutos ou mesmo segundos, em vez de horas, são de baixo custo, usam o mínimo de produtos químicos indesejáveis, usam menos energia e/ou são altamente escalonáveis.

[00114] Os reatores de cavitação hidrodinâmica criam uma nuvem de cavitação que é um ambiente especial para a criação de várias reações químicas e físicas. Nuvens de cavitação são produzidas quando há uma queda repentina na pressão quando um líquido sob alta pressão passa por uma restrição, como um orifício. As nuvens de cavitação consistem em milhões de microbolhas que se formam na saída do orifício. As bolhas de cavitação passam por 3 estágios: 1) formação de bolhas, 2) compressão muito rápida da bolha que gera um hot-spot localizado de curta duração e 3) colapso da bolha que produz uma enorme quantidade de energia. Resultados experimentais mostraram que, à medida que as bolhas de cavitação entram em colapso, elas produzem temperaturas internas em torno de 5.000 K, pressões de aproximadamente 14.700 psi e taxas de aquecimento e resfriamento acima de 1.010 K/s. Essas mudanças de temperatura e pressão duram menos de alguns nanossegundos e acontecem em milhões de locais na nuvem de cavitação (consulte, por exemplo, Understanding Hydrodynamic Cavitation Report. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/314034417_Understanding_Hydrodyn amic_Cavitation_Report; último acesso em 28 de junho de 2018). Essas condições intensas do micro-reator são realizadas em condições ambientais (correspondendo às temperaturas de volume). Em comparação, gerar um ambiente de alta temperatura e alta pressão em um reator tradicional pode ser muito caro.

[00115] Foi descoberto que quando um fluido de carbono, por si só ou em combinação com um gás de carbono arrastado, está sujeito a cavitação hidrodinâmica ou cisalhamento ou uma combinação de cavitação hidrodinâmica e cisalhamento, materiais de carbono (por exemplo, materiais semelhantes ao grafeno) são formados in situ. O método inclui, inter alia, injetar gás com alto teor de carbono em um fluido com alto teor de carbono excessivamente perto de onde as bolhas de cavitação são formadas, ou seja, na parte traseira do orifício. Tal como aqui utilizado, “parte traseira” de um orifício corresponde a um ponto de saída de um orifício em relação a um líquido fluindo através do mesmo, ou, em outras palavras, corresponde a um lado do orifício voltado para a câmara de cavitação ou para a interface entre os mesmos.

[00116] Também é possível, mas com muito menos formação de carbono, injetar gás antes do orifício (por exemplo, na câmara de pré-cavitação, na/perto da interface entre um orifício e a câmara de pré-cavitação, e/ou na entrada de um orifício na câmara de cavitação). Sem desejar se limitar a qualquer teoria em particular, acredita-se que a concentração de gás onde as bolhas de cavitação são formadas maximiza a dispersão de gás na nuvem de cavitação, o que por sua vez aumenta a formação de material de carbono.

[00117] O método convencional de introdução de gás em um reator de cavitação hidrodinâmica é borbulhar ou injetar o gás antes do orifício de cavitação, o que cria gás arrastado (absorvido ou dissolvido). Foi descoberto que o método tradicional de introdução de gás antes do orifício não sustenta o gás adsorvido. A passagem do fluido pelo orifício remove o gás do fluido. Isso é comprovado por reatores de cavitação hidrodinâmica convencionais usados para desgaseificar fluidos.

[00118] Quando o método tradicional de borbulhar acetileno em etanol (ou seja, antes do orifício de cavitação) é usado, muito pouco material semelhante ao grafeno é formado. Em contraste, quando o gás é injetado diretamente na nuvem de cavitação, atrás do orifício, uma abundância de grafeno é formada.

[00119] Além disso, uma vez que os materiais de carbono são criados in situ,é possível eliminar o processo de duas etapas de criação de pó de grafeno e, em seguida, redispersar o pó em um líquido. Por exemplo, as plaquetas de carbono podem ser formadas e retidas em um líquido (por exemplo, óleo mineral ou propileno glicol).

[00120] Um problema relacionado à redispersão do pó de grafeno é que é difícil criar uma dispersão coloidal convencionalmente. Isso ocorre porque o próprio ato de pulverizar o grafeno cria uma ligação de Van der Waals entre as placas de grafeno, que faz com que as plaquetas de grafeno se acumulem novamente. A redispersão do pó em outro fluido geralmente requer uma forma de cisalhamento, sonicação ou cavitação hidrodinâmica. Mesmo assim, é difícil obter dispersões coloidais do tipo nano. Em aplicações onde o grafeno não pode ser deixado no fluido contendo carbono, o material de grafeno pode ser recuperado por meio de filtração ou centrifugação.

[00121] A invenção é ainda ilustrada pelas seguintes formas de realização.

[00122] (Forma de realização 1) Um método para produzir um material de carbono sólido que compreende: distribuir um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em um reator de cavitação; formar bolhas de cavitação no líquido dentro de uma região de cavitação do reator de cavitação; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de cavitação do reator de cavitação; produzindo assim o material de carbono na forma de uma dispersão compreendendo o material de carbono disperso no líquido.

[00123] (Forma de realização 2) O método da forma de realização 1, em que o reator de cavitação é um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de cisalhamento, um reator de cavitação ultrassônica ou um reator multifuncional.

[00124] (Forma de realização 3) O método da forma de realização 2, em que o reator de cavitação compreende cavitação hidrodinâmica e cisalhamento; ou em que o reator de cavitação compreende cavitação ultrassônica e cisalhamento.

[00125] (Forma de realização 4) O método da forma de realização 2, em que o reator de cavitação compreende cavitação hidrodinâmica e um reator de rotor estator; ou em que o reator de cavitação compreende cavitação ultrassônica e um reator de rotor estator.

[00126] (Forma de realização 5) O método da forma de realização 2, em que o reator de cavitação compreende um reator de rotor estator, um reator de cisalhamento de bancada, um reator de cisalhamento de alta velocidade, um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de orifício, um reator de leito fixo rotativo, um reator de disco giratório, um reator de correntes de choque, um reator de gás-sólido supersônico, um reator de ultrassonicação, um reator de sonicação de sonda, um reator de misturador de cisalhamento ou uma combinação destes.

[00127] (Forma de realização 6) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 5, em que o fornecimento de gás compreende arrastar o gás, injetar o gás ou uma combinação destes.

[00128] (Forma de realização 7) O método da forma de realização 6, em que o gás é arrastado no líquido.

[00129] (Forma de realização 8) O método da forma de realização 6, em que o gás é injetado no líquido.

[00130] (Forma de realização 9) O método da forma de realização 8, em que o gás é borbulhado no líquido.

[00131] (Forma de realização 10) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 9, em que o gás é distribuído diretamente na região de cavitação durante a etapa de distribuição do gás.

[00132] (Forma de realização 11) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 10, em que as etapas de formação de bolhas de cavitação e distribuição do gás são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente.

[00133] (Forma de realização 12) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 11, em que durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente em ou dentro de 1 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação, a região de nucleação de bolha de cavitação correspondendo a nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação hidrodinâmica durante a etapa de formação.

[00134] (Forma de realização 13) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 12, a etapa de formação compreendendo a formação de uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, em que o gás é distribuído diretamente dentro ou em 1 mm da nuvem de cavitação.

[00135] (Forma de realização 14) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 13, em que a dispersão é formada na região de cavitação do reator.

[00136] (Forma de realização 15) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 14, a etapa de formação compreendendo a formação de uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação; em que o material de carbono é formado dentro da nuvem de cavitação.

[00137] (Forma de realização 16) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 15, em que o líquido está substancialmente livre do material de carbono durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo.

[00138] (Forma de realização 17) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 16, em que o líquido é substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo.

[00139] (Forma de realização 18) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 17, em que a formação do material de carbono ocorre dentro de 1 minuto após a formação das bolhas de cavitação no líquido.

[00140] (Forma de realização 19) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 18, em que a nucleação do material de carbono ocorre dentro de 1 minuto após a nucleação das bolhas de cavitação dentro de 0,3 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação enquanto o gás é distribuído à região de cavitação.

[00141] (Forma de realização 20) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 19, em que o reator de cavitação compreende um reator de cavitação hidrodinâmica tendo uma região de pré-cavitação e uma região de orifício, em que a região de orifício está entre a região de pré-cavitação e a região de cavitação; a região de orifício compreendendo pelo menos um orifício, de modo que o líquido flua da região de pré-cavitação para a região de cavitação através de pelo menos um orifício; em que cada um de pelo menos um orifício é caracterizado por um diâmetro de orifício que é menor do que um diâmetro da região de pré-cavitação.

[00142] (Forma de realização 21) O método da forma de realização 20, em que o gás é distribuído diretamente a uma extremidade de cavitação de pelo menos um orifício ou dentro de 1 mm de uma extremidade de pelo menos um orifício; a extremidade de cavitação do pelo menos um orifício sendo uma extremidade de pelo menos um orifício mais próxima da região de cavitação do reator de cavitação.

[00143] (Forma de realização 22) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 21, compreendendo ainda uma etapa de terminar a distribuição do gás na região de cavitação; em que uma característica de tamanho do material de carbono aumenta após a etapa de terminação.

[00144] (Forma de realização 23) O método da forma de realização 22, compreendendo ainda reter a dispersão na região de cavitação por um tempo inferior ou igual a 60 minutos após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação; em que uma característica de tamanho do material de carbono aumenta durante a etapa de retenção.

[00145] (Forma de realização 24) O método da forma de realização 23, em que, durante a etapa de retenção da dispersão na região de cavitação e após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação, o método compreende ainda uma etapa de desgaseificação da dispersão para diminuir uma concentração do gás nele arrastado.

[00146] (Forma de realização 25) O método de qualquer uma das formas de realização 22 a 24, em que uma concentração do material de carbono na dispersão é substancialmente constante após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação.

[00147] (Forma de realização 26) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 25, compreendendo ainda a recuperação do material de carbono sólido da dispersão em uma forma sólida ou em pó, a etapa de recuperação compreendendo filtração, filtração a vácuo, evaporação de solvente, centrifugação ou qualquer combinação dos mesmos.

[00148] (Forma de realização 27) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 26, uma concentração do pelo menos um composto orgânico líquido no líquido é selecionada a partir da faixa de 1% em massa a 100% em massa.

[00149] (Forma de realização 28) O método da forma de realização 27, em que uma concentração do material de carbono sólido na dispersão é de 0,0025% em massa a 7% em massa.

[00150] (Forma de realização 29) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 28, em que o pelo menos um composto orgânico líquido é selecionado a partir do grupo que consiste em um monômero, um oligômero, um pré-polímero, um polímero, um solvente orgânico e qualquer combinação dos mesmos.

[00151] (Forma de realização 30) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 29, em que o pelo menos um composto orgânico líquido é selecionado a partir do grupo que consiste em metanol, etanol, álcool isopropílico, metilpirrolidona, d-ciclopentadieno, hexano, benzeno, tolueno, heptano, xileno, dimetil sulfóxido, óleo mineral, óleo de motor, óleo de motor MOBILE 1™, óleo de motor Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, óleo de base, óleo de rícino hidrogenado, óleo de transmissão, óleo de engrenagem, óleo vegetal, óleo à base de hidrocarboneto, óleo aditivado, óleo não aditivado (por exemplo, óleo de alto carbono (HCO), querosene, combustível diesel, etileno glicol, propileno glicol, dietileno glicol, trietilamina, trimetilamina, pentano, ciclopentano, ciclohexano, 1,4-dioxano, clorofórmio, éter dietílico, diclorometano, tetrahidrofurano, acetato de etila, acetona, dimetilformamida, acetonitrila, nitrometano, carbonato de propileno, ácido fórmico, butanol, propanol, ácido acético, octadeceno, ácido oleico, oleilamina, octano, dietileno glicol éter, 1,2-diclorobenzeno, metil acetato, tetracloroetileno, difeniltioureia, hexafluro-2-propanol, ácido cinâmico, trimetilamina, benzentiol, etanotiol, etanoditiol, 4-aminobenzenotiol, ácido acrílico, dissulfeto de carbono, 1,2- diclorobenzeno, N-metil-2-pirrolidona e qualquer combinação dos mesmos.

[00152] (Forma de realização 31) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 30, em que o composto orgânico gasoso é selecionado a partir do grupo que consiste em metano, acetileno, etileno, propano, 1,3- butadieno, butano e qualquer combinação dos mesmos.

[00153] (Forma de realização 32) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 31, em que o líquido é caracterizado por uma temperatura do volume inferior a 400 °C.

[00154] (Forma de realização 33) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 32, em que o gás é caracterizado por uma temperatura do volume de menos de 400 °C.

[00155] (Forma de realização 34) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 33, em que o líquido é caracterizado por uma taxa de fluxo selecionada a partir da faixa de 5 l/min a 200 l/min na região de cavitação do reator de cavitação.

[00156] (Forma de realização 35) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 34, em que o gás é injetado a uma pressão caracterizada por uma pressão selecionada a partir da faixa de 2 psi a 150 psi na região de cavitação do reator de cavitação.

[00157] (Forma de realização 36) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 35, em que a pressão na região de cavitação é selecionada a partir da faixa de 10 psi a 5.000 psi.

[00158] (Forma de realização 37) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 36, em que o reator de cavitação compreende um rotor estator e em que o rotor estator é operado em uma velocidade de rotação de uso selecionada a partir da faixa de 200 rpm a 14.000 rpm na região de cavitação do reator de cavitação.

[00159] (Forma de realização 38) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 37, em que o tempo de residência de líquido no reator de cavitação é selecionado a partir do intervalo de 0,05 a 20 segundos.

[00160] (Forma de realização 40) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 38, em que o método é realizado por um tempo de processo selecionado a partir do intervalo de 1 a 60 minutos.

[00161] (Forma de realização 41) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 39, em que o reator de cavitação compreende um reator de ultrassonicação e em que o reator de ultrassonicação é operado em uma frequência de ultrassonicação de 20 a 300 kHz e uma faixa de amplitude de 10 a 100%.

[00162] (Forma de realização 42) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 40, em que o material de carbono não é feito quando o método é realizado sem a etapa de distribuição do gás com outras etapas e condições, de outra forma, equivalentes.

[00163] (Forma de realização 43) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 41, em que a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -160 mV

[00164] (Forma de realização 44) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 42, em que a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -40 mV.

[00165] (Forma de realização 45) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 43, em que uma concentração de carbono (concentração atômica) no material de carbono sólido na dispersão é selecionada a partir da faixa de 92 a 99% em massa.

[00166] (Forma de realização 45) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 44, em que a dispersão é um coloide, uma suspensão ou uma combinação dos mesmos.

[00167] (Forma de realização 46) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 45, em que o material de carbono compreende grafeno, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outro alótropo de carbono, um compósito compreendendo grafeno ou qualquer combinação dos mesmos.

[00168] (Forma de realização 47) O método da forma de realização 46, em que o compósito compreende enxofre e grafeno ou compreende nitreto de boro hexagonal e grafeno.

[00169] (Forma de realização 48) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 47, em que o material de carbono compreende grafeno.

[00170] (Forma de realização 49) O método da forma de realização 48, em que o material de carbono é grafeno.

[00171] (Forma de realização 50) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 49, o material de carbono compreendendo um nanocompósito de polímero-grafeno.

[00172] (Forma de realização 51) O método de qualquer uma das formas de realização 46 a 50, em que o grafeno é grafeno ondulado, grafeno amassado, grafeno com orifícios ou qualquer combinação dos mesmos.

[00173] (Forma de realização 52) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 51, em que o material de carbono é caracterizado por um teor de oxigênio de 7% em at. ou menos.

[00174] (Forma de realização 53) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 52, compreendendo ainda o uso de material de carbono ou a dispersão para redução de atrito.

[00175] (Forma de realização 54) O método da forma de realização 53, em que a dispersão reduz um coeficiente de atrito em pelo menos 5%.

[00176] (Forma de realização 55) O método da forma de realização 53 ou 54, em que a dispersão é usada para redução de atrito sem limpar ou isolar o material de carbono da dispersão.

[00177] (Forma de realização 56) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 55, compreendendo ainda o uso de material de carbono sólido ou a dispersão para aumentar um ânodo de bateria e/ou cátodo de bateria.

[00178] (Forma de realização 57) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 56, compreendendo ainda funcionalizar o material de carbono para fornecer um material de carbono funcionalizado.

[00179] (Forma de realização 58) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 57, em que a dispersão é uma primeira dispersão, o material de carbono é um material precursor e o reator de cavitação é um primeiro reator de cavitação; o método compreendendo ainda: distribuir a primeira dispersão em um segundo reator de cavitação; formar bolhas de cavitação na primeira dispersão dentro de uma região de cavitação do segundo reator de cavitação; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente na região de cavitação do segundo reator de cavitação; convertendo assim o material precursor em um segundo material de carbono, o segundo material de carbono estando na forma de uma segunda dispersão compreendendo o segundo material de carbono disperso no líquido; em que o material precursor e o segundo material de carbono são diferentes.

[00180] (Forma de realização 59) O método da forma de realização 58, em que o primeiro reator de cavitação hidrodinâmica e o segundo reator de cavitação hidrodinâmica são os mesmos.

[00181] (Forma de realização 60) Um método para funcionalizar um material disperso em um líquido, o material disperso no líquido sendo uma primeira dispersão, em que o método compreende as etapas de: entrega da primeira dispersão em um reator de cavitação; em que o líquido compreende pelo menos um composto orgânico líquido; formar bolhas de cavitação no líquido dentro de uma região de cavitação do reator de cavitação; e distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente na região de cavitação do reator de cavitação; funcionalizando assim o material para formar uma segunda dispersão, a segunda dispersão compreendendo o material funcionalizado disperso no líquido.

[00182] (Forma de realização 61) O método da forma de realização 60, em que a funcionalização do material compreende a funcionalização química, física ou química e física do material.

[00183] (Forma de realização 62) O método da forma de realização 60 ou forma de realização 61, em que o material compreende grafite, grafite expandida, um material semelhante a grafite, grafeno, um material semelhante a grafeno, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outro alótropo de carbono, um compósito compreendendo grafeno, grafeno catiônico ou qualquer combinação dos mesmos.

[00184] (Forma de realização 63) O método de qualquer uma das formas de realização 60 a 62, o material funcionalizado compreendendo óxido de grafeno.

[00185] (Forma de realização 64) O método de qualquer uma das formas de realização 60 a 63, em que a funcionalização compreende adicionar átomos de oxigênio ao material, remover átomos de oxigênio do material, adicionar átomos de nitrogênio ao material, adicionar átomos de enxofre ao material ou uma combinação dos mesmos.

[00186] (Forma de realização 65) O método de qualquer uma das formas de realização 60 a 64, em que o gás compreende oxigênio, vapor de água, hidrogênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, CO2 ou qualquer combinação dos mesmos.

[00187] (Forma de realização 66) Um material funcionalizado preparado pelo método de qualquer uma das formas de realização 60 a 65.

[00188] A invenção é ainda ilustrada pelas seguintes formas de realização adicionais:

[00189] (Forma de realização 101) Um método para produzir um material de carbono sólido que compreende: distribuir um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em uma região de reação de um reator; distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de reação do reator; e induzir uma reação química entre o pelo menos um composto orgânico líquido e o pelo menos um composto orgânico gasoso, em que: a reação química ocorre na região de reação do reator; o material de carbono sólido é feito por meio da reação; o material de carbono sólido é feito durante a reação na forma de uma dispersão compreendendo o material de carbono sólido disperso no líquido; e a reação química é uma reação homogênea compreendendo nucleação homogênea do material de carbono sólido na região de reação do reator.

[00190] (Forma de realização 102) O método da forma de realização 101, em que a reação química compreende a transferência de massa gás-líquido.

[00191] (Forma de realização 103) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 102, em que uma composição do gás é diferente de uma composição do líquido.

[00192] (Forma de realização 104) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 103, em que uma composição do pelo menos um composto gasoso é diferente de uma composição do pelo menos um composto orgânico líquido.

[00193] (Forma de realização 105) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 104, em que a reação química não ocorre no ou em um catalisador.

[00194] (Forma de realização 106) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 105, em que o método não inclui uma nucleação heterogênea do material de carbono sólido em um substrato sólido.

[00195] (Forma de realização 107) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 106, em que a etapa de distribuição do líquido é realizada por meio de uma primeira corrente de entrada na região de reação e a etapa de distribuição do gás é realizada por meio de uma segunda corrente de entrada na região de reação; em que o primeiro caminho de fluxo e o segundo fluxo de entrada são diferentes e fisicamente separados.

[00196] (Forma de realização 108) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 107, em que a etapa de distribuição do líquido e a etapa de distribuição do gás são realizadas simultaneamente.

[00197] (Forma de realização 109) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 107, em que a etapa de distribuição do gás é realizada após o líquido ser distribuído para a região de reação.

[00198] (Forma de realização 110) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 109, em que o material de carbono sólido permanece disperso no líquido enquanto presente na região de reação.

[00199] (Forma de realização 111) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 110, em que o líquido é substancialmente livre de um material de carbono sólido durante a etapa de distribuição do líquido e antes das etapas de distribuição do gás e indução da reação química.

[00200] (Forma de realização 112) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 111, em que o líquido está substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes das etapas de distribuição do gás e induzindo a reação química.

[00201] (Forma de realização 113) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 112, em que o material de carbono sólido é formado apenas na região de reação do reator.

[00202] (Forma de realização 114) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 113, em que o material de carbono sólido não é feito quando o método é realizado sem a etapa de distribuição do gás com outras etapas e condições equivalentes.

[00203] (Forma de realização 115) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 114, em que distribuir o gás compreende arrastar o gás, injetar o gás ou uma combinação destes.

[00204] (Forma de realização (116)) O método da forma de realização 115, em que o gás é arrastado no líquido sob pressão.

[00205] (Forma de realização 117) O método da forma de realização 115, em que o gás é injetado no líquido.

[00206] (Forma de realização 118) O método da forma de realização 115, em que o gás é borbulhado no líquido.

[00207] (Forma de realização 119) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 118, em que o gás é distribuído diretamente na região de reação durante a etapa de distribuição do gás.

[00208] (Forma de realização 120) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 119, em que as etapas de distribuição do gás e indução da reação química são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente.

[00209] (Forma de realização 121) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 120, em que pelo menos um composto orgânico líquido e pelo menos um composto orgânico gasoso estão simultaneamente presentes na região de reação.

[00210] (Forma de realização 122) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 121, em que o reator compreende um reator de tanque de agitação, um reator de turbina, um reator de monólito, um reator de espuma, um reator de rotor estator, um reator de cisalhamento de bancada, um reator de cisalhamento de alta velocidade (por exemplo, Charles Ross HSM- 700), um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de orifício, um reator de tubo rotativo, um reator de leito fixo rotativo, um reator rotativo em ziguezague, um reator de leito fluidizado, um reator de Taylor-Couette, um reator tubo em tubo, um reator de disco giratório, um reator de correntes de choque, um reator supersônico de gás-sólido, um reator de ultrassonicação, um reator de sonicação de sonda, reator de irradiação de microondas, um reator de onda de choque (por exemplo, reator SHOCKWAVE POWER™ (SPR)), um reator de fluxo contínuo (por exemplo, um reator RAPTOR™), um reator misturador de cisalhamento ou uma combinação destes.

[00211] (Forma de realização 123) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 122, em que a etapa de induzir a reação química compreende induzir uma força de cisalhamento no líquido.

[00212] (Forma de realização 124) O método da forma de realização 123, em que o reator é um reator de tanque de agitação que compreende um agitador; e em que o agitador induz a força de cisalhamento no líquido.

[00213] (Forma de realização 125) O método da forma de realização 124, em que o agitador é selecionado a partir do grupo que consiste em um agitador de indução de gás, um agitador/turbina Rushton, um agitador monolítico, um agitador em espiral, um impulsor de placas ou de lâmina plana radial, um propelente axion, uma lâmina inclinada, um agitador de vórtice de turbina, vários agitadores em um eixo e qualquer combinação destes.

[00214] (Forma de realização 126) O método da forma de realização 125, em que o agitador é um agitador de indução de gás.

[00215] (Forma de realização 127) O método de qualquer uma das formas de realização 124 a 126, em que o agitador é caracterizado por uma velocidade de rotação selecionada a partir da faixa de 200 a 14.000 rpm.

[00216] (Forma de realização 128) O método de qualquer uma das formas de realização 124 a 127, em que a etapa de induzir a reação química compreende agitar ou mexer o líquido e o gás na região de reação.

[00217] (Forma de realização 129) O método de qualquer uma das formas de realização 123 a 128, em que uma pressão na região do reator é selecionada a partir da faixa de 6 bar (cerca de 87 psi) a 150 bar (cerca de 2175 psi).

[00218] (Forma de realização 130) O método de qualquer uma das formas de realização 123 a 129, em que uma temperatura na região de reação é selecionada a partir da faixa de 20 °C a 250 °C.

[00219] (Forma de realização 131) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 122, em que: o reator é um reator de cavitação; a zona de reação é uma zona de cavitação do reator de cavitação; e o método compreende a formação de bolhas de cavitação no líquido dentro da região de cavitação do reator de cavitação.

[00220] (Forma de realização 132) O método da forma de realização 131, em que o reator de cavitação é um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de cisalhamento, um reator de cavitação ultrassônica ou um reator multifuncional.

[00221] (Forma de realização 133) O método da forma de realização 132, em que o reator de cavitação compreende cavitação hidrodinâmica e cisalhamento; ou em que o reator de cavitação compreende cavitação ultrassônica e cisalhamento.

[00222] (Forma de realização 134) O método da forma de realização 132, em que o reator de cavitação compreende cavitação hidrodinâmica e um reator de rotor estator; ou em que o reator de cavitação compreende cavitação ultrassônica e um reator de rotor estator.

[00223] (Forma de realização 135) O método da forma de realização 132, em que o reator de cavitação compreende um reator de rotor estator, um reator de cisalhamento de bancada, um reator de cisalhamento de alta velocidade, um reator de cavitação hidrodinâmica, um reator de orifício, um reator de leito fixo rotativo, um reator de disco giratório, um reator de correntes de choque, um reator supersônico de gás-sólido, um reator de ultrassonicação, um reator de sonicação de sonda, reator de irradiação de microondas, um reator de onda de choque, um reator misturador de cisalhamento ou uma combinação destes.

[00224] (Forma de realização 136) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 135, em que o gás é distribuído diretamente na região de cavitação durante a etapa de distribuição do gás.

[00225] (Forma de realização 137) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 136, em que as etapas de formação de bolhas de cavitação e distribuição do gás são realizadas simultaneamente ou quase simultaneamente.

[00226] (Forma de realização 138) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 137, em que durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente em ou dentro de 1 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação, a região de nucleação de bolha de cavitação corresponde à nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação hidrodinâmica durante a etapa de formação.

[00227] (Forma de realização 139) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 138, em que a etapa de formação compreende a formação de uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, em que o gás é distribuído diretamente dentro ou em 1 mm da nuvem de cavitação.

[00228] (Forma de realização 140) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 139, em que a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação; em que o material de carbono é formado dentro da nuvem de cavitação.

[00229] (Forma de realização 141) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 140, em que o líquido está substancialmente livre do material de carbono durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo.

[00230] (Forma de realização 142) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 141, em que o líquido é substancialmente livre de partículas sólidas e substancialmente não é um coloide, suspensão ou material sol durante a etapa de distribuição do líquido e antes da formação de bolhas de cavitação no mesmo.

[00231] (Forma de realização 143) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 142, em que a formação do material de carbono ocorre dentro de 1 minuto após a formação das bolhas de cavitação no líquido.

[00232] (Forma de realização 145) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 143, em que a nucleação do material de carbono ocorre dentro de 1 minuto após a nucleação das bolhas de cavitação dentro de 0,3 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação enquanto o gás é distribuído à região de cavitação.

[00233] (Forma de realização 146) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 144, em que o reator de cavitação compreende um reator de cavitação hidrodinâmica tendo uma região de pré-cavitação e uma região de orifício, em que a região de orifício está entre a região de pré-cavitação e a região de cavitação; a região de orifício compreendendo pelo menos um orifício, de modo que o líquido flua da região de pré-cavitação para a região de cavitação através de pelo menos um orifício; em que cada um de pelo menos um orifício é caracterizado por um diâmetro de orifício que é menor do que um diâmetro da região de pré-cavitação.

[00234] (Forma de realização 146) O método da forma de realização 145, em que o gás é distribuído diretamente a uma extremidade de cavitação de pelo menos um orifício ou dentro de 1 mm de uma extremidade de pelo menos um orifício; a extremidade de cavitação de pelo menos um orifício sendo uma extremidade do pelo menos um orifício mais próximo da região de cavitação do reator de cavitação.

[00235] (Forma de realização 147) O método de qualquer uma das formas de realização 131 a 146, compreendendo ainda uma etapa de terminar a distribuição do gás na região de cavitação; em que uma característica de tamanho do material de carbono aumenta após a etapa de terminação.

[00236] (Forma de realização 148) O método da forma de realização 147, compreendendo ainda reter a dispersão na região de cavitação por um tempo inferior ou igual a 60 minutos após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação; em que uma característica de tamanho do material de carbono aumenta durante a etapa de retenção.

[00237] (Forma de realização 149) O método da forma de realização 148, em que, durante a etapa de retenção da dispersão na região de cavitação e após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação, o método compreende ainda uma etapa de desgaseificação da dispersão para diminuir a concentração do gás nela arrastado.

[00238] (Forma de realização 150) O método de qualquer uma das formas de realização 147 a 149, em que uma concentração do material de carbono na dispersão é substancialmente constante após a etapa de terminação e enquanto o gás não é distribuído na região de cavitação.

[00239] (Forma de realização 151) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 150, compreendendo ainda a recuperação do material de carbono sólido da dispersão em uma forma sólida ou em pó, a etapa de recuperação compreendendo filtração, filtração a vácuo, evaporação de solvente, centrifugação ou qualquer combinação dos mesmos.

[00240] (Forma de realização 152) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 121, em que uma concentração de pelo menos um composto orgânico líquido no líquido é selecionada a partir da faixa de 0,01% em massa a 100% em massa.

[00241] (Forma de realização 153) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 152, em que o pelo menos um composto orgânico líquido é selecionado a partir do grupo que consiste em um monômero, um oligômero, um pré-polímero, um polímero, um solvente orgânico e qualquer combinação dos mesmos.

[00242] (Forma de realização 154) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 153, em que o pelo menos um composto orgânico líquido é selecionado a partir do grupo que consiste em metanol, etanol, álcool isopropílico, metilpirrolidona, d-ciclopentadieno, hexano, benzeno, tolueno, heptano, xileno, dimetil sulfóxido, óleo mineral, óleo de motor, óleo de motor MOBILE 1™, óleo de motor Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, óleo de base, óleo de rícino hidrogenado, óleo de transmissão, óleo de engrenagem, óleo vegetal, óleo à base de hidrocarboneto, óleo aditivado, óleo não aditivado (por exemplo, óleo de alto carbono), querosene, combustível diesel, etileno glicol, propileno glicol, dietileno glicol, trietilamina, trimetilamina, pentano, ciclopentano, ciclohexano, 1,4-dioxano, clorofórmio, dietil éter, diclorometano, tetrahidrofurano, acetato de etila, acetona, dimetilformamida, acetonitrila, nitrometano, carbonato de propileno, ácido fórmico, butanol, propanol, ácido acético, octadeceno, ácido oleico, oleilamina, octano, éter dietilenoglicol, 1,2-diclorobenze, metil acetato, tetracloroetileno, difeniltioureia, hexafluro-2-propanol, ácido cinâmico, trimetilamina, benzentiol, etanotiol, etanoditiol, 4-aminobenzenotiol, ácido acrílico, dissulfeto de carbono, 1,2- diclorobenzeno, N-metil-2-pirrolidona e qualquer combinação dos mesmos.

[00243] (Forma de realização 155) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 154, em que o líquido compreende água.

[00244] (Forma de realização 156) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 155, em que o composto orgânico gasoso é selecionado a partir do grupo que consiste em metano, acetileno, etileno, propano, 1,3-butadieno, butano e qualquer combinação dos mesmos.

[00245] (Forma de realização 157) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 156, em que o líquido é caracterizado por uma temperatura do volume inferior a 400 °C.

[00246] (Forma de realização 158) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 157, em que o líquido é caracterizado por uma temperatura total de 20 °C ou mais.

[00247] (Forma de realização 159) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 158, em que o gás é caracterizado por uma temperatura do volume de menos de 400 °C.

[00248] (Forma de realização 160) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 159, em que o gás é caracterizado por uma temperatura do volume de 20 °C ou mais.

[00249] (Forma de realização 161) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 160, em que o líquido é caracterizado por uma taxa de fluxo selecionada a partir da faixa de 5 l/min a 200 l/min na região de cavitação do reator de cavitação.

[00250] (Forma de realização 162) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 161, em que o gás é injetado a uma pressão caracterizada por uma pressão selecionada a partir da faixa de 2 psi a 150 psi na região de reação do reator.

[00251] (Forma de realização 163) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 162, em que a pressão na região de reação é selecionada a partir da faixa de 10 psi a 5.000 psi.

[00252] (Forma de realização 164) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 163, em que o reator compreende um rotor estator e em que o rotor estator é operado a uma velocidade de rotação de uso selecionada a partir da faixa de 200 rpm a 14.000 rpm na região de reação do reator.

[00253] (Forma de realização 165) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 064, em que o tempo de residência do líquido na região de reação é selecionado a partir do intervalo de 1 a 60 minutos.

[00254] (Forma de realização 166) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 165, em que o método é realizado por um tempo de processo selecionado a partir do intervalo de 1 a 60 minutos.

[00255] (Forma de realização 167) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 166, em que o reator compreende um reator de ultrassonicação e em que o reator de ultrassonicação é operado em uma frequência de ultrassonicação de 20 a 300 kHz e uma faixa de amplitude de 10 a 100%.

[00256] (Forma de realização 168) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 167, em que a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -160 mV.

[00257] (Forma de realização 169) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 168, em que a dispersão ou o material de carbono na dispersão é caracterizado por um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -40 mV.

[00258] (Forma de realização 170) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 169, em que uma concentração do material de carbono sólido na dispersão é de 0,0025% em massa a 7% em massa.

[00259] (Forma de realização 171) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 170, em que a dispersão é um coloide, uma suspensão, um sol ou uma combinação dos mesmos.

[00260] (Forma de realização 172) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 171, em que o material de carbono sólido compreende grafite, grafite expandida, um material semelhante ao grafite, grafeno, um material semelhante ao grafeno, plaquetas de carbono, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outros alótropos de carbono, um compósito compreendendo grafeno, grafeno catiônico ou qualquer combinação dos mesmos.

[00261] (Forma de realização 173) O método da forma de realização 172, em que o compósito compreende enxofre e grafeno ou compreende nitreto de boro hexagonal e grafeno.

[00262] (Forma de realização 174) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 172, em que o material de carbono compreende grafeno ou um material semelhante ao grafeno.

[00263] (Forma de realização 175) O método da forma de realização 172, em que o material de carbono é grafeno ou um material semelhante ao grafeno.

[00264] (Forma de realização 176) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 172, em que o material de carbono compreende um nanocompósito de polímero-grafeno.

[00265] (Forma de realização 177) O método de qualquer uma das formas de realização 172 a 176, em que o grafeno é grafeno ondulado, grafeno amassado, grafeno com orifícios ou qualquer combinação dos mesmos.

[00266] (Forma de realização 178) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 177, em que o material de carbono é caracterizado por um teor de oxigênio inferior a 7% em at.

[00267] (Forma de realização 179) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 178, em que a dispersão é caracterizada por um coeficiente de atrito que é reduzido em pelo menos 5% em relação ao mesmo líquido sem o material de carbono sólido.

[00268] (Forma de realização 180) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 179, em que a dispersão é caracterizada por uma cicatriz de desgaste que é reduzida em pelo menos 3% em relação ao mesmo líquido sem o material de carbono sólido.

[00269] (Forma de realização 181) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 180, compreendendo ainda o uso do material de carbono sólido ou a dispersão para redução de atrito.

[00270] (Forma de realização 182) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 181, compreendendo a redução de atrito in situ.

[00271] (Forma de realização 183) O método da forma de realização 181 ou 182, em que a dispersão é usada para redução de atrito sem limpar ou isolar o material de carbono sólido da dispersão.

[00272] (Forma de realização 184) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 180, compreendendo ainda o uso de material de carbono sólido ou a dispersão para aumentar um ânodo de bateria e/ou cátodo de bateria.

[00273] (Forma de realização 185) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 184, compreendendo ainda a funcionalização do material de carbono sólido para fornecer um material de carbono sólido funcionalizado.

[00274] (Forma de realização 186) O método de qualquer uma das formas de realização 101 a 185, em que a dispersão é uma primeira dispersão, a reação química é uma primeira reação química, o material de carbono sólido é um material precursor, o gás é um primeiro gás e o reator é um primeiro reator; o método compreende ainda: distribuir a primeira dispersão em um segundo reator; distribuir um segundo gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente em uma região de reação do segundo reator; e induzir uma segunda reação química na região de reação do segundo reator; em que: a segunda reação química converte o material precursor em um segundo material de carbono sólido; o segundo material de carbono é disperso no líquido; e o material precursor e o segundo material de carbono são diferentes.

[00275] (Forma de realização 187) O método da forma de realização 186, em que o segundo reator é um reator de cavitação e a etapa de indução compreende a formação de bolhas de cavitação na primeira dispersão dentro da região de reação do segundo reator.

[00276] (Forma de realização 188) O método de qualquer uma das formas de realização 186 a 187, em que o primeiro reator e o segundo reator são iguais.

[00277] (Forma de realização 189) Um método para funcionalizar um primeiro material de carbono sólido disperso em um líquido, o primeiro material precursor de carbono sólido disperso no líquido sendo uma primeira dispersão, em que o método compreende as etapas de: distribuição da primeira dispersão em uma região de reação de um reator; em que o líquido compreende pelo menos um composto orgânico líquido; distribuir um gás na região de reação do reator; e induzir uma reação química de funcionalização, em que: a reação química de funcionalização forma um segundo material de carbono a partir do primeiro material de carbono; a reação química de funcionalização ocorre na região de reação do reator; e o segundo material de carbono sólido é feito durante a reação na forma de uma segunda dispersão, a segunda dispersão compreendendo o segundo material de carbono sólido disperso no líquido.

[00278] (Forma de realização 190) O método da forma de realização 189, em que a reação química de funcionalização compreende a funcionalização química, física ou química e física do primeiro material de carbono sólido.

[00279] (Concretização 191) O método da forma de realização 189 ou forma de realização 190 em que o primeiro material de carbono sólido compreende óxido de grafeno, grafite, grafite expandida, uma grafite como material, grafeno, um material semelhante a grafeno, as plaquetas de carbono, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outro alótropo de carbono, um compósito compreendendo grafeno, grafeno catiônico ou qualquer combinação dos mesmos.

[00280] (Forma de realização 192) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 191, em que o segundo material de carbono sólido compreende óxido de grafeno reduzido, óxido de grafeno, grafeno oxidado nas bordas, grafite, grafite expandida, um material semelhante ao grafite, grafeno, um material semelhante a grafeno, plaquetas de carbono, nanotubos de carbono, cebolas de carbono, outro alótropo de carbono, um compósito compreendendo grafeno, grafeno catiônico ou qualquer combinação dos mesmos.

[00281] (Forma de realização 193) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 192, em que o primeiro material de carbono sólido compreende óxido de grafeno e o segundo material de carbono sólido compreende óxido de grafeno reduzido.

[00282] (Forma de realização 194) O método da forma de realização 193, em que um percentual atômico de oxigênio no segundo material de carbono é pelo menos 50% menor do que um percentual atômico de oxigênio no primeiro material de carbono.

[00283] (Forma de realização 195) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 192, em que a reação química de funcionalização compreende a oxidação do primeiro material de carbono sólido de modo que o segundo material de carbono sólido seja solúvel em água.

[00284] (Forma de realização 196) O método das formas de realização 195, em que o líquido compreende água e a segunda dispersão é uma dispersão aquosa do segundo material de carbono na água.

[00285] (Forma de realização 197) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 196, em que a reação química de funcionalização compreende adicionar átomos de oxigênio ao primeiro material de carbono sólido, remover átomos de oxigênio do primeiro material de carbono sólido, adicionar átomos de carbono ao primeiro material de carbono sólido, adicionar átomos de nitrogênio ao primeiro material de carbono sólido, adicionar átomos de enxofre ao primeiro material de carbono sólido ou uma combinação dos mesmos.

[00286] (Forma de realização 198) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 197, em que o gás compreender oxigênio, vapor de água, hidrogênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, CO2, ozônio, ou qualquer combinação dos mesmos.

[00287] (Forma de realização 199) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 198, em que: o reator é um reator de cavitação e a região de reação é uma região de cavitação; o método compreende a formação de bolhas de cavitação no líquido dentro da região de cavitação do reator de cavitação; e o gás é injetado diretamente na região de cavitação.

[00288] (Forma de realização 200) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 199, em que o primeiro material de carbono sólido não está quimicamente associado a um substrato sólido durante a reação química de funcionalização.

[00289] (Forma de realização 201) O método de qualquer uma das formas de realização 1 a 200, em que o gás compreende pelo menos um composto orgânico gasoso.

[00290] (Forma de realização 202) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 200, o composto orgânico gasoso é selecionado a partir do grupo que consiste em alcano, alceno, alcino, cicloalcano, heterocicloalcano, areno, heteroareno e uma combinação dos mesmos, em que o alcano, alceno, alcino, cicloalcano, heterocicloalcano, areno ou heteroareno podem ser opcionalmente substituídos por um ou mais substituintes.

[00291] (Forma de realização 203) O método de qualquer uma das formas de realização 189 a 202, em que pelo menos um composto orgânico gasoso é selecionado a partir do grupo que consiste em metano, acetileno, etileno, propano, 1,3-butadieno, butano e qualquer combinação dos mesmos.

[00292] (Forma de realização 204) Um material funcionalizado preparado pelo método de qualquer uma das formas de realização 189 a 203.

[00293] Os exemplos seguintes ilustram ainda mais a invenção, mas, é claro que não devem ser interpretados como limitando de forma alguma o seu escopo.

EXEMPLO 1

[00294] Este exemplo demonstra métodos para fabricar um ou mais materiais de carbono em um líquido usando um reator de cavitação hidrodinâmica. Mais particularmente, este exemplo fornece um método de síntese de material de carbono na nuvem de cavitação de um reator de cavitação hidrodinâmica. Uma forma de realização exemplificativa, o método compreende: (a) fluir um líquido com alto teor de carbono (líquido compreendendo um composto orgânico) através de um reator de cavitação hidrodinâmica e, em seguida, (b) introduzir um gás com alto teor de carbono (gás compreendendo um composto orgânico) na parte traseira do orifício de cavitação no início das bolhas de cavitação. Em segundos, materiais semelhantes ao grafeno começam a se formar na nuvem de cavitação. (c) Após um tempo predeterminado, o fluxo de gás é terminado, o que retarda a formação contínua do material sintetizado de gás. A pressão do gás e o tempo de fluxo determinam a espessura e o tamanho das plaquetas de grafeno iniciais. (d) Como uma opção, o líquido, contendo material semelhante ao grafeno, pode ser deixado para circular por um tempo adicional (por exemplo, 15 minutos). Durante esse tempo de circulação adicional, como resultado do gás arrastado, o material de carbono continua a se formar. Foi descoberto que o gás arrastado introduzido na parte de trás (por exemplo, saída) da placa de orifício se comporta de maneira diferente do gás arrastado injetado antes do orifício; especificamente, o gás pós-orifício não é desgaseificado tão facilmente quanto o gás injetado pré-orifício. Isso é comprovado pelo fato de que quando o gás é borbulhado, ou diretamente injetado, antes do orifício, um mínimo de material de carbono é formado. Se, no entanto, quando o líquido com gás induzido pós-orifício é deixado circular (enquanto nenhum gás está sendo injetado), há um acúmulo adicional de material de carbono.

[00295] Depois de terminar a distribuição de gás e continuar a circular a dispersão na região de cavitação, o líquido pode ser opcionalmente desgaseificado. Com a desgaseificação, as forças de cisalhamento experimentadas pelas partículas de material de carbono na dispersão podem levar à redução em uma ou mais características de tamanho das partículas. Sem desgaseificação, as forças de cisalhamento experimentadas pelas partículas de material de carbono na dispersão podem levar a um aumento em uma ou mais características de tamanho do material de carbono na dispersão (por exemplo, plaquetas de grafeno maiores e/ou mais espessas). Por exemplo, forças de cisalhamento aumentadas podem tornar as plaquetas de grafeno menores. O gás arrastado no líquido durante a exposição da dispersão às forças de cisalhamento, ou forças de cisalhamento aumentadas, pode tornar as plaquetas menores mais finas. Uma concentração reduzida de gás arrastado (por exemplo, via desgaseificação) pode evitar o espessamento das plaquetas neste regime (ou seja, reter a dispersão na região de cavitação sem entrega do gás).

EXEMPLO 2

[00296] Este exemplo demonstra métodos para funcionalizar um ou mais materiais, como materiais de carbono, usando um reator de cavitação hidrodinâmica. Por exemplo, os métodos deste exemplo podem ser usados para funcionalizar o grafeno. É possível funcionalizar materiais de carbono feitos pelo processo aqui descrito ou em materiais de carbono produzidos por outros métodos. Exemplos de tal funcionalização incluem: 1) cura de defeitos físicos, 2) funcionalização química com vários gases e 3) funcionalização física (por exemplo, mudança da morfologia do grafeno).

[00297] Cura de defeitos: a cura de defeitos físicos nas plaquetas de grafeno tem sido um dos maiores desafios para a produção de grafeno puro. Uma abordagem convencional para “curar” defeitos de grafeno é usar CVD (deposição de vapor químico) para imbuir as plaquetas de grafeno com um gás rico em carbono, como o etileno. O carbono no gás preenche efetivamente os defeitos. O processo CVD, entretanto, não é facilmente escalonável.

[00298] Os processos descritos neste documento podem ser usados para adicionar carbono ao grafeno para curar, ou remendar, defeitos no grafeno. Isso é demonstrado pela formação de grafeno altamente defeituoso e, em seguida, funcionalizando-o para corrigir/curar/remendar os defeitos com um gás de alto teor de carbono. Por exemplo, grafeno de alto defeito é produzido começando com óxido de grafeno e, em seguida, reduzindo o oxigênio no grafeno, submetendo o óxido de grafeno a produtos químicos agressivos (por exemplo, borohidreto de sódio, ácido sulfúrico) e temperaturas extremamente altas (por exemplo, 1100 °C). Isso cria óxido de grafeno reduzido (rGO) altamente defeituoso, que é então disperso em etanol. A dispersão é então circulada através de um reator de cavitação hidrodinâmica enquanto o acetileno é injetado na nuvem de cavitação na parte traseira do orifício. O gás acetileno “remendou” as lacunas no grafeno defeituoso, conforme confirmado por um aumento acentuado na condutividade do grafeno “remendado” em um disco de filtro. Veja a Figura 2. Para comparação, discos de filtro de peso semelhante foram preparados com GO não tratado com alto teor de oxigênio e GO desoxidado e altamente reduzido que apresentava defeitos. Como visto na Figura 2, há uma diferença perceptível na condutividade entre os três discos de filtro: 1) não tratado, grafeno com baixo teor de oxigênio, 2) o mesmo grafeno após a desoxidação (ou seja, com defeitos) e 3) o grafeno desoxidado processado com acetileno, ou seja, “remendado” em uma forma de realização do método da invenção.

[00299] Funcionalização química: os métodos aqui divulgados também podem ser usados para funcionalizar quimicamente o grafeno e outros materiais de carbono, introduzindo vários gases na nuvem de cavitação. Por exemplo, o oxigênio pode ser adicionado a uma dispersão de grafeno para criar óxido de grafeno, argônio e/ou hidrogênio podem ser adicionados para reduzir o oxigênio nas plaquetas de grafeno, o nitrogênio pode aumentar os atributos de lubricidade do grafeno e o dióxido de enxofre pode adicionar enxofre ao grafeno e outros materiais de carbono.

[00300] Funcionalização física: várias combinações de gás e contrapressão podem ser empregadas para criar, por exemplo: grafeno ondulado, grafeno amassado ou grafeno com orifícios. Além disso, várias combinações de gás e solvente sob diferentes pressões e diferentes orifícios podem ser implementadas para criar nanotubos de carbono, cebolas de carbono ou outros alótropos de carbono.

EXEMPLO 3

[00301] Neste exemplo, as plaquetas de grafeno foram formadas de acordo com certos métodos aqui divulgados. A Figura 3 mostra uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de algumas plaquetas semelhantes ao grafeno. Figura 4 mostra dados de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) medidos a partir de duas porções das plaquetas vistas na Figura 3. O quadrado branco superior e o quadrado branco inferior na imagem SEM da Figura 3 correspondem aos dados “Espectro 5” e “Espectro 6” do gráfico EDS na Figura 4. As composições atômicas extraídas dos dados de EDS correspondentes a essas plaquetas de grafeno estão resumidas na Tabela 1. Na Tabela 1, “C/O” corresponde a uma razão entre as concentrações atômicas de carbono e oxigênio. TABELA 1

[00302] AS FIGURAS 5A E 5B MOSTRAM IMAGENS ADICIONAIS DE plaquetas tipo grafeno exemplificativas feitas por formas de realização de métodos aqui divulgados.

EXEMPLO 4A

[00303] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo material semelhante ao grafeno, foi feito usando cavitação hidrodinâmica, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados.

[00304] Com referência às Figuras 6A-7B, o material de carbono foi feito usando propano como o composto orgânico gasoso distribuído e tolueno como o composto orgânico líquido. A Figura 6A mostra uma imagem SEM de plaquetas de grafeno micronizadas, com quadrados (rotulados como “1” e “2”) identificando regiões correspondentes aos espectros de EDS mostrados na Figura 6B (o quadrado 1 corresponde a “Espectro 1” e o quadrado 2 corresponde a “Espectro 2”). A Figura 6B mostra os espectros de EDS e a Tabela 2 resume as concentrações atômicas de elementos, calculadas a partir dos espectros de EDS, no material de carbono nas regiões identificadas na Figura 6A. TABELA 2

[00305] A FIGURA 7A MOSTRA UMA IMAGEM SEM DAS PLAQUETAS DE grafeno micronizadas, com quadrados (rotulados como “5” e “6”) identificando regiões correspondentes aos espectros de EDS mostrados na Figura 7B (o quadrado 5 corresponde ao “Espectro 5” e o quadrado 6 corresponde ao “Espectro 6”). A Figura 7B mostra espectros de EDS e uma tabela resumindo as concentrações atômicas de elementos, calculadas a partir dos espectros de EDS, no material de carbono nas regiões identificadas na Figura 7A. O material de carbono formado neste exemplo, correspondendo às Figuras 6A-7B, tem uma concentração de oxigênio inferior a 1,77% em at. ou tão baixa quanto 0,40%.

[00306] Neste exemplo, um orifício de 5 mm foi usado, com uma pressão de injeção de gás de 3.000 psi, e o método foi realizado por 1 minuto.

EXEMPLO 4B

[00307] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cavitação hidrodinâmica, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados.

[00308] Com referência às Figuras 8A-8B, o material de carbono foi feito usando acetileno como o composto orgânico gasoso distribuído e etanol líquido como o composto orgânico do líquido. Neste exemplo, o líquido era total ou substancialmente o composto orgânico (etanol). As Figuras 8A-8B mostram imagens SEM do material de carbono. Neste exemplo, um orifício de 0,5 mm foi usado, com uma pressão de injeção de gás de 3000 psi, e o método foi realizado por 5 minutos.

[00309] Outros exemplos de reatores hidrodinâmicos seriam: 1) um reator de onda de choque, como o SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR) (Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA). Conforme um líquido passa pelo reator de onda de choque, ele é sujeito a “cavitação controlada”. O coração do dispositivo é um rotor especialmente projetado que gira. A ação giratória gera cavitação hidrodinâmica nas cavidades do rotor longe das superfícies metálicas. A cavitação é controlada e, portanto, não há danos. À medida que bolhas microscópicas de cavitação são produzidas e entram em colapso, ondas de choque são liberadas no líquido, que pode aquecer e/ou se misturar. 2) Outro reator hidrodinâmico é um reator de disco giratório. Um reator de ondas de choque é um dispositivo que usa um disco giratório, normalmente próximo a uma superfície estacionária, para acelerar o fluxo de forma centrífuga. Os componentes que ativam o fluxo (que normalmente é um líquido), para misturar, agitar, cisalhar, produzir cavitação (vácuo) e produzir uma mudança de temperatura, sob a influência da rotação da camada limite. Um dos principais mecanismos é a sonoquímica (produção de ultrassonicação por formação de cavitação acústica em líquidos - que resulta em atividade química). Por exemplo, quando a água é cavitada, ocorre uma explosão de energia, que inclui luz ultravioleta, calor e som, conhecida como onda de choque.

EXEMPLO 5A

[00310] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cisalhamento, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados. Neste exemplo, um misturador de cisalhamento de bancada, em particular um sistema de alto cisalhamento de bancada FM300 Fuko, foi usado como o reator de cavitação, o propano foi usado como o composto orgânico gasoso distribuído, o óleo de motor MOBILE 1™ foi usado como o composto orgânico líquido do líquido. Neste exemplo, o líquido era total ou substancialmente o composto orgânico (MOBILE 1™). O método de síntese foi realizado por 2 minutos com uma pressão de arraste de gás de 30 psi. O fluido foi arrastado com gás em uma panela de pressão separada, onde o gás foi injetado a 30 psi. Isso arrastou o gás para o líquido. Sob pressão atmosférica, o gás não entrará no óleo de lubrificação. A taxa de fluxo de injeção de gás foi de 11 ml/min, e um misturador de cisalhamento de 12.000 rpm foi usado.

[00311] A Figura 9A mostra uma intensidade de luz espalhada vs diâmetro de partícula e a Figura 9B mostra uma tabela correspondente resumindo os dados na Figura 9A. Os dados correspondem a partículas de carbono na dispersão formada de acordo com este exemplo. A faixa de tamanho de partícula foi de aproximadamente 4,4 nm a 184 nm (diâmetro hidrodinâmico), conforme medido por espalhamento de luz dinâmico. A Figura 10A mostra uma distribuição do número de tamanho de partícula e a Figura 10B mostra uma tabela que resume a distribuição, correspondendo às partículas de material de carbono feitas de acordo com este exemplo. As partículas eram predominantemente cristalinas e 1,5 a 10,8 nm.

[00312] A seguinte descrição dos procedimentos de caracterização se aplica aos Exemplos 5A e 5B:

[00313] Partículas suspensas em líquidos estão em movimento browniano devido a colisões aleatórias com moléculas de solvente. Este movimento faz com que as partículas se difundam através do meio. O coeficiente de difusão, D, é inversamente proporcional ao tamanho da partícula de acordo com a equação de Stokes-Einstein: D = keT 3 p^ad

[00314] Onde D é a constante de difusão, k B a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta, qo a viscosidade e d o diâmetro esférico da partícula:

[00315] A espectroscopia de correlação de fótons, às vezes também conhecida como espalhamento dinâmico de luz, é uma técnica usada para determinar o coeficiente de difusão de pequenas partículas em um líquido. O coeficiente é determinado medindo com precisão a intensidade de dispersão de luz das partículas em função do tempo. Conforme as partículas de interesse se difundem através da célula de amostra devido ao movimento browniano, um feixe de luz a laser incidente ilumina as partículas. As partículas espalham a luz, produzindo flutuações na intensidade do espalhamento em função do tempo. A luz espalhada é coletada em um ângulo escolhido e é medida por um detector altamente sensível. Como a taxa de difusão das partículas é determinada por seu tamanho, as informações sobre seu tamanho estão contidas na taxa de flutuação da luz espalhada. As flutuações de intensidade são coletadas como contagens de fótons e correlacionadas para gerar a função de autocorrelação (ACF). O coeficiente de difusão é determinado pelo ajuste do ACF pelo método dos Cumulantes, a partir do qual o tamanho médio é obtido pela equação de Stokes-Einstein.

[00316] Potencial Zeta: O processo aqui descrito produz partículas cristalinas com um potencial Zeta muito alto. Assim, as partículas de material de carbono, como partículas de grafeno, em um lubrificante formam uma dispersão muito estável, como o potencial Zeta sendo -63 mV. É reconhecido no campo que a distribuição coloidal com um potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -40 mV é muito estável.

[00317] O potencial zeta é a medida do potencial elétrico no plano deslizante da camada dupla que envolve uma partícula suspensa em solução. A camada dupla consiste na camada de Stern e na camada difusa. Na camada de Stern, os íons com carga oposta à superfície da partícula são atraídos para a partícula. Conforme a distância da superfície da partícula aumenta, os íons com cargas opostas se tornam mais difusos. O ponto onde os íons começam a se difundir no meio circundante é chamado de plano deslizante, pois os íons fortemente atraídos se moverão com a partícula em movimento browniano. É no plano de deslizamento onde o potencial Zeta é medido. O potencial Zeta pode ser usado como uma medida da estabilidade das partículas em uma solução. Partículas com potencial Zeta maior que +40 mV ou menor que -40 mV são consideradas estáveis, pois a carga evita que as partículas se aglomerem. Por outro lado, partículas com potencial Zeta próximo a 0 mV, o ponto isoelétrico, têm tendência a colidir e formar grandes aglomerações.

[00318] A dispersão de luz eletroforética é o método usado para determinar o potencial Zeta de partículas carregadas em solução. A carga no plano deslizante não pode ser medida diretamente com o analisador de partículas DELSA™ Nano C (Beckman Coulter, Brea, CA). Em vez disso, o potencial Zeta é determinado por meio de modelos teóricos e mobilidade eletroforética. Um campo elétrico é aplicado às partículas em solução. As partículas se moverão em direção ao eletrodo de carga oposta. As partículas são irradiadas com luz a laser e espalhadas devido ao movimento das partículas. A luz espalhada detectada cria uma mudança de frequência da luz do laser incidente. A mudança de frequência pode ser relacionada à mobilidade das partículas usando a seguinte equação: vD = Uq2ncos62 = UnAsin?

[00319] A Figura 11A mostra os dados de mobilidade para determinar o potencial Zeta para a dispersão de material de carbono feita de acordo com este exemplo, e a Figura 11B mostra uma tabela resumindo os dados e as condições de caracterização. O potencial Zeta foi determinado como sendo -63,93 mV para a dispersão.

EXEMPLO 5B

[00320] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cisalhamento, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados.

[00321] Propano foi usado como composto orgânico gasoso distribuído, óleo mineral foi usado como composto orgânico líquido e um reator de cisalhamento de bancada foi usado. A Figura 12A mostra uma imagem SEM de uma plaqueta de grafeno micronizada feita de acordo com este exemplo. Os dados EDS na Figura 12B e mostrado abaixo na Tabela 3 resume as porcentagens atômicas dos elementos. TABELA 3

[00322] O material de carbono mostrou uma concentração de oxigênio de 0,49% em at.

EXEMPLO 5C

[00323] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cisalhamento, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados.

[00324] Foi utilizado um reator de cisalhamento de alta velocidade, como o da Figura 19. Neste exemplo, uma variedade de combinações de composto orgânico gasoso e composto orgânico líquido foram usadas para fazer o material de carbono: (i) propano e óleo mineral, (ii) propano e tolueno, e (iii) acetileno e tolueno, respectivamente. Grafeno cristalino foi formado no caso (i) e material grafítico de tamanho micro foi formado no caso de (ii) e (iii).

EXEMPLO 6

[00325] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cavitação ultrassônica, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados. Um reator de cavitação de sonicação foi usado, usando um chifre # 8 e 90% de potência. O método foi realizado por 15 minutos. A injeção de gás ou taxa de fluxo de arraste foi opcionalmente de 14 l/min. Foram utilizadas as seguintes combinações de composto orgânico gasoso e composto orgânico líquido: (i) propano e tolueno; (ii) propano/E30 e Mobile-1, onde o E30 significa que o propano foi pré-arrastado em Mobil-1 a 30 psi na panela de pressão; (iii) propano/B e tolueno, significa que o propano foi “borbulhado” e (iv) acetileno/B e tolueno. “B” significa “borbulhado”. No caso de (i), (iii) e (iv), um material de carbono de grafeno micronizada foi feito. No caso de (ii), um material de grafeno cristalino foi feito. Como foi feito sob alto cisalhamento, o cisalhamento quebra o grafeno micronizado como as plaquetas em partículas cristalinas (menos de 10 nm).

EXEMPLO 7

[00326] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando um reator de cavitação multifuncional, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados, incluindo cavitação hidrodinâmica e cisalhamento. O propano foi usado como o composto orgânico gasoso e o óleo mineral foi usado como o composto orgânico líquido. Um material de carbono cristalino foi formado.

EXEMPLO 8

[00327] Neste exemplo, é demonstrado que o material de carbono não é formado na ausência de um composto orgânico gasoso, sob outras condições equivalentes do método para produzir um material de carbono sólido.

[00328] Um material de carbono sólido, como grafeno, foi formado usando um reator de cisalhamento de bancada usando propano como o composto orgânico gasoso e Syn 530 como o composto orgânico líquido. Em condições equivalentes, sem entregar o composto orgânico gasoso, o método não produz um material de carbono sólido. A dispersão do material de carbono formado em Syn 530 produz uma Redução de Cicatriz de Desgaste de 14,6% e um coeficiente de redução de atrito de 64,5% em relação ao Syn 530 livre do material de carbono.

[00329] Um material de carbono sólido, como grafeno, foi formado usando um reator de cisalhamento de bancada usando propano como o composto orgânico gasoso e MOBILE 1™ como o composto orgânico líquido. Em condições equivalentes, sem entregar o composto orgânico gasoso, o método não produz um material de carbono sólido. A dispersão do material de carbono formado em MOBILE 1™ resulta em uma redução de cicatriz de desgaste de 8% e um coeficiente de redução de atrito de 31% em relação ao MOBILE 1™ livre de material de carbono.

EXEMPLO 9

[00330] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cisalhamento, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados. O propano foi usado como composto orgânico gasoso. Uma variedade de compostos orgânicos líquidos foi usada em combinação com propano: Syn 530, MOBILE 1™, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530 e óleo de alto carbono (HCO)/óleo base.

[00331] Também neste exemplo, a redução do atrito é demonstrada usando as dispersões de material de carbono nos líquidos orgânicos listados acima. No caso do Syn 530 (ver Figura 14), uma redução de cicatriz de desgaste de 14,6% e um coeficiente de redução de atrito de 64,5% foi demonstrado em relação ao Syn 530 livre do material de carbono (ou seja, em relação ao Syn 530 não usado no método para produzir um material de carbono sólido de acordo com este exemplo). No caso do MOBILE 1 ™ (ver Figura 16), foi demonstrada uma redução de 8% da cicatriz de desgaste e um coeficiente de redução de atrito de 31% em relação ao MOBILE 1™ livre de material de carbono (ou seja, em relação ao MOBILE 1™ não usado no método para produzir um material de carbono sólido de acordo com este exemplo). No caso de AMSOIL™ (ver Figura 15), uma redução de cicatriz de desgaste de 0% e um coeficiente de redução de atrito de 12% foi demonstrada em relação a AMSOIL™ livre do material de carbono sólido (ou seja, com relação a AMSOIL™ não utilizado no método para produzir um material de carbono sólido de acordo com este exemplo). No caso de NonSyn, Quaker 530, uma redução de cicatriz de desgaste de 3% e um coeficiente de redução de atrito de 19% foi demonstrada em relação a NonSyn, Quaker livre do material de carbono (ou seja, em relação a NonSyn, Quaker não utilizado no método para produzir um material de carbono sólido de acordo com este exemplo). No caso de HCO/Óleo Base, uma redução de 7% da cicatriz de desgaste e um coeficiente de redução de 13% de fricção foi demonstrada com relação ao HCO/Óleo Base livre do material de carbono (ou seja, com relação ao HCO/Óleo Base não usado no método para produzir um material de carbono sólido de acordo com este exemplo).

EXEMPLO 10

[00332] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cisalhamento, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados. Propano foi usado como o composto orgânico gasoso e dissulfeto de carbono foi usado como o composto orgânico líquido. A Figura 13A mostra uma imagem SEM de material de carbono formado de acordo com o método deste exemplo. A Figura 13A é rotulado com um quadrado # 78 e um quadrado # 79. A Figura 13B mostra dados EDS correspondentes ao material no quadrado 78 (Espectro 78) e quadrado 79 (Espectro 79). A Tabela 4 resume as porcentagens atômicas dos elementos. TABELA 4

[00333] COMO PODE SER VISTO NA TABELA 3, O MATERIAL DE CARBONO formado inclui um material compósito de carbono-enxofre no quadrado 79. O compósito tem aproximadamente 48% em at. de carbono e 15% em at de enxofre.

EXEMPLO 11A

[00334] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cisalhamento Ultra alto por meio de um misturador de alto cisalhamento em linha Ross Modelo HSM-703X-20, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados, como o reator de cisalhamento da Figura 18. O propano foi usado como o composto orgânico gasoso e o óleo mineral foi usado como o composto orgânico líquido. Foi utilizada uma pressão de injeção de gás de 50 psi, o reator de cisalhamento foi operado a 10.000 rpm e o método de síntese foi realizado por 15 minutos.

[00335] A dispersão de carbono no óleo mineral feito neste exemplo foi caracterizada por um potencial Zeta de -51 mV (por exemplo, -50,68 mV), como mostrado nas Figuras 17A-17B.

[00336] A seguinte descrição das técnicas e condições de caracterização se aplica ao Exemplo 11A e Exemplo 11B:

[00337] Equipamento de teste: O instrumento de teste que foi usado para realizar a análise de potencial Zeta foi um DELSA™ Nano C Nanoparticle Size and Zeta Potential Analyzer (Beckman Coulter, Brea, CA). O DELSA™ Nano C utiliza técnicas de Espectroscopia de Correlação de Fótons (PCS) e Espalhamento de Luz Eletroforética para determinar o tamanho das partículas e o potencial Zeta dos materiais. Oferecendo um excelente grau de precisão, resolução e reprodutibilidade, o DELSA™ Nano C foi projetado para simplificar as análises de tamanho de partícula submicron e potencial Zeta. O DELSA™ Nano C proporciona medições tamanho precisas na faixa de 0,6 nm a 7 pm com concentração de amostra variando desde 0,001% a 40%. É possível realizar a análise das amostras aquosas e não-aquosas bem como potenciais Zeta de superfícies e membranas sólidas. Ele serve para uma ampla variedade de aplicações em indústrias como a nanotecnologia, eletrônica, produtos farmacêuticos, tintas, alimentos e bebidas, biomédica, têxtil.

[00338] Partículas suspensas em líquidos estão em movimento browniano devido a colisões aleatórias com moléculas de solvente. Este movimento faz com que as partículas se difundam através do meio. O coeficiente de difusão, D, é inversamente proporcional ao tamanho da partícula de acordo com a equação de Stokes-Einstein: D = keT/3pnoa,onde D é a constante de difusão, k B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura absoluta, qü é a viscosidade e d é o diâmetro esférico da partícula.

[00339] A espectroscopia de correlação de fótons, às vezes também conhecida como espalhamento dinâmico de luz, é uma técnica usada para determinar o coeficiente de difusão de pequenas partículas em um líquido. O coeficiente é determinado com precisão pela medição da luz de intensidade de espalhamento das partículas como uma função do tempo. Conforme as partículas de interesse se difundem através da célula de amostra devido ao movimento browniano, um feixe de luz a laser incidente ilumina as partículas. As partículas espalham a luz, produzindo flutuações na intensidade do espalhamento em função do tempo. A luz espalhada é coletada em um ângulo escolhido e é medida por um detector altamente sensível. Uma vez que a taxa de difusão de partículas é determinada pelo seu tamanho, informações sobre o seu tamanho são contidas na taxa de variação da luz dispersa. As flutuações de intensidade são coletadas como contagens de fotões e correlacionadas para gerar a função de auto correlação (ACF). O coeficiente difusão é determinado por montagem da ACF usando o método de Cumulants a partir do qual a média de tamanho é obtida usando a equação de Stokes-Einstein.

[00340] O potencial de Zeta é a medida da eléctrica potencial no plano de escorregamento na dupla camada em torno de uma partícula suspensa em solução. A camada dupla consiste na camada de Stern e na camada difusa. Na camada de Stern, os íons com a carga oposta da superfície das partículas são atraídas para a partícula. Conforme a distância da superfície da partícula aumenta, os íons com cargas opostas se tornam mais difusos. O ponto em que os íons começam a difundir para o meio envolvente é chamado o plano de escorregamento à medida que íons fortemente atraídos irão mover-se com a partícula em movimento Browniano. Ele é um plano de escorregamento onde o potencial Zeta é medido. O potencial Zeta pode ser usado como uma medida da estabilidade das partículas em uma solução. Partículas com um potencial Zeta maior do que +/- 20 mV são consideradas estáveis uma vez que a carga não permite que as partículas se aglomerem. Por outro lado, as partículas com potencial Zeta próximo a 0 mV têm tendência a colidir e formar grandes aglomerações.

[00341] A dispersão de luz eletroforética é o método usado para determinar o potencial Zeta de partículas carregadas em solução. A carga no plano de escorregamento não pode ser medido diretamente com o analisador de nanopartícula DELSA™ C. Em vez disso, o potencial Zeta é determinado por meio de modelos teóricos e mobilidade eletroforética. Um campo eléctrico é aplicado às partículas em solução. As partículas se moverão em direção ao eletrodo de carga oposta. As partículas são irradiadas com luz a laser e dispersa devido ao movimento das partículas. A luz espalhada detectada cria uma mudança de frequência a partir da luz a laser incidente. O desvio de frequência pode estar relacionada com a mobilidade das partículas usando a seguinte equação: onde vD é o deslocamento de frequência das partículas, U é a mobilidade das partículas, q é o espalhamento vector, À é o comprimento de onda da luz incidente, n é o índice de refracção do meio e ? é a dispersão de ângulo. Conhecendo a mobilidade, a equação de Smoluchowski pode ser aplicada para encontrar o potencial Zeta. onde e0 e er são as constantes dielétricas no vácuo e no meio, respectivamente.

[00342] Em adição a medição do potencial Zeta de partículas em uma solução, o potencial Zeta também de uma superfície sólida também pode ser determinado. Os mesmos princípios usados na medição do potencial Zeta de uma partícula foram usados para uma superfície plana. A célula de superfície plana especialmente projetada foi usada para conter amostras sólidas. O procedimento para medir o potencial Zeta de uma superfície sólida é semelhante a uma medição típica do potencial Zeta para partículas. As medições são realizadas por meio de espalhamento dinâmico de luz de partículas de sonda carregadas sob influências tanto da eletroosmose quanto da eletroforese. O verdadeiro fluxo eletroosmótico devido ao potencial Zeta de superfície sólida é obtido subtraindo a verdadeira mobilidade eletroforética do fluxo eletroosmótico aparente total das partículas carregadas da sonda.

[00343] Condições e parâmetros de teste: Antes da análise do potencial Zeta, a amostra foi misturada e aproximadamente 5 ml da amostra foi centrifugada a 3.000 rpm por 20 min. Uma alíquota de ~ 1 ml foi removida do topo da amostra centrifugada e usada para a análise. Para determinar o potencial Zeta, o espécime foi analisado com a célula de fluxo usando dispersão de luz eletroforética. Valores da literatura de referência de 1,467 para o índice de refração do óleo diluente [Ref. 1], 19,1 cP para a viscosidade do óleo diluente [Ref. 2] e 2.1 para a constante dielétrica do óleo [Ref. 3] foram usados para analisar os dados experimentais e calcular o potencial Zeta. A Tabela 5 resume as condições de teste e parâmetros para o teste. TABELA 5 CONDIÇÕES E PARÂMETROS DE TESTE DE POTENCIAL ZETA

[00344] Referências para os Exemplos 11A e 11B:

[00345] 1. Millipore Sigma (2019). Óleo mineral de índice refrativo líquido. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/nistl922?lang=en&region=US

[00346] 2. Painel da EFSA sobre aditivos alimentares e fontes de nutrientes adicionados aos alimentos (ANS); Parecer científico sobre a utilização de óleos minerais brancos de alta viscosidade como aditivo alimentar, a pedido da Comissão Europeia. EFSA Journal, 2009; 7 (11): 1387.

[00347] 3. Honeywell (2019). Tabela de Constante Dielétrica. www.honeywellprocess.com

EXEMPLO11B

[00348] Neste exemplo, o material de carbono, incluindo grafeno, foi feito usando cisalhamento, de acordo com formas de realização de métodos aqui divulgados, como o reator de cisalhamento da Figura 18. Propano foi usado como o composto orgânico gasoso e óleo MOBILE 1TMfoi usado como o composto orgânico líquido. Foi utilizada uma pressão de injeção de gás de 30 psi, o reator de cisalhamento funcionou a 12.000 rpm e o método de síntese foi realizado por 15 minutos.

[00349] A dispersão de carbono em MOBILE 1™ feita neste exemplo foi caracterizada por um potencial Zeta de -64 mV (por exemplo, -63,93 mV).

EXEMPLO 12A

[00350] Este exemplo descreve reatores de tanque de agitação, que também podem ser descritos como reatores de tanque agitado de alta temperatura e alta pressão (SHTHPTR). A Figura 23 ilustra um reator de tanque de agitação exemplificativo que é compatível com os métodos aqui divulgados, de acordo com certas formas de realização. O reator do tanque de agitação, ou o SHTHPTR, da Figura 23 facilita a transferência de massa gás-líquido entre um gás à base de carbono e um líquido à base de carbono para criar uma reação química que pode produzir grafeno ou um material semelhante ao grafeno, funcionalizar um material de grafeno ou facilitar a criação de um material compósito semelhante ao grafeno. Neste reator, o gás de síntese é disperso em bolhas finas para ser dissolvido em um líquido. Bolhas menores têm mais área de superfície e, portanto, facilitam a transferência de massa gás-líquido.

[00351] Os reatores de tanque de agitação que podem ser implementados de forma semelhante como reatores de transferência de massa gás-líquido de acordo com as formas de realização aqui divulgadas incluem reatores de tanque de agitação que podem ser categorizados como reatores de turbina, monólito ou tanque de espuma.

[00352] A solubilidade geralmente baixa de gás orgânico em um líquido de carbono pode ser melhorada operando o reator, tal como o reator de transferência de massa gás-líquido do tanque de agitação da Figura 23, a pressões aumentadas, como entre 6 bar (cerca de 87 psi) e até 150 bar (cerca de 2175 psi). A temperatura de operação do reator normalmente está na faixa de 20 °C a 250 °C (por exemplo, 20 °C a 200 °C, 20 °C a 150 °C, 20 °C a 100 °C, 30 °C a 250 °C, 30 °C a 200 °C, 30 °C a 150 °C, 30 °C a 100 °C, 40 °C a 250 °C, 40 °C a 200 °C, 40 °C a 150 °C, 40 °C a 100 °C, 50 °C a 250 °C, 50 °C a 200 °C, 50 °C a 150 °C, 50 °C a 100 °C, 50 °C a 90 °C, ou 60 °C a 100 °C).

[00353] O reator de transferência de massa gás-líquido do tanque de agitação, como o da Figura 23, compreende um agitador. Sem desejar se limitar a qualquer teoria, acredita-se que as reações gás orgânico-líquido orgânico são limitadas pela transferência de massa. Assim, o sistema de agitação é importante para: (1) intensificar a transferência de massa/líquido, (2) aumentar a transferência de calor, que acelera uma reação química, e (3) homogeneizar a mistura gás/líquido para evitar perfis de temperatura e concentração desiguais durante o processo de reação. O agitador é um componente importante do reator de tanque agitado, de alta temperatura e alta pressão e pode ser de vários tipos, incluindo, mas não se limitando a: um agitador /turbina de Rushton, agitador monolítico, agitador espiral, placas radiais, impulsor de lâmina plana, propelente axion, lâmina inclinada, vórtice da turbina e vários agitadores em um eixo.

[00354] De preferência, mas não necessariamente, o agitador usado para maximizar a transferência de massa gás-líquido é um agitador de indução de gás, tal como ilustrado na Figura 24. Este impulsor de alto desempenho dispersa o gás carbônico no espaço superior do reator em bolhas de gás muito finas e, assim, cria uma área de interface extremamente grande entre o gás e o líquido.

[00355] O impulsor de indução de gás usado neste exemplo compreende um eixo de impulsor oco de aço inoxidável com um orifício de entrada de gás de pequeno milímetro no topo do eixo do impulsor no espaço superior do recipiente de mistura. O gás no espaço superior é aspirado para a cuba do impulsor e, em seguida, disperso na fase líquida por meio das portas de dispersão (saída) de gás nos impulsores localizados na ponta de cada uma das 4 lâminas do impulsor. Este impulsor foi instalado no SHTHPTR (Figura 23) com um agitador elétrico ou pneumático para garantir a rotação contínua para operações mais longas. Quanto maior a velocidade de agitação, maior o vácuo e maior a força motriz. Para a sucção máxima através das portas de gás, o impulsor pode operar geralmente na faixa de 100 a 3.000 rpm (por exemplo, 600 a 2.000 rpm, 1.000 a 1.200 rpm, 100 a 600 rpm). Os impulsores podem ser adquiridos de qualquer fornecedor adequado, como a Parr Instrument Company (Moline, IL).

EXEMPLO12B

[00356] Neste exemplo, o material semelhante ao grafeno é feito e caracterizado usando um reator de tanque de agitação, como o da Figura 23. A Figura 25 é um SEM mostrando material semelhante ao grafeno de poucas camadas produzido com um reator de tanque agitado, de alta temperatura e alta pressão (por exemplo, Figura 23) por injeção de gás propano em tolueno líquido por 30 minutos a uma pressão de 80 psi e uma temperatura de 60 °C. O material de carbono sólido feito é um material semelhante ao grafeno (Figura 25), em vez de carbono amorfo.

[00357] Os parâmetros do tanque de processo para este exemplo incluíram: um diâmetro do tanque de 9” (22,86 cm), contendo 2 litros de tolueno, e um diâmetro do impulsor de 4” (10,16 cm) girando a 3.000 rpm por 30 minutos. A razão entre o diâmetro do impulsor e o diâmetro do tanque (D/T) foi de 0,44. O cisalhamento criado pelo impulsor em um reator agitado é amplamente determinado pela razão entre o diâmetro do impulsor e o diâmetro do tanque (D/T). Para o método da invenção, a razão D/T está tipicamente na faixa de 0,1 a 0,6, de preferência 0,2 a 0,5. Impulsores de baixo D/T podem produzir alto cisalhamento em baixas rpm, enquanto configurações de alto D/T normalmente funcionam em altas rpm e produzem baixo cisalhamento, mas maior mistura. No método da invenção, foi descoberto que uma baixa razão D/T é desejável porque o objetivo não é misturar, mas sim maximizar a transferência de gás através de alto cisalhamento.

EXEMPLO 12C

[00358] Neste exemplo, uma dispersão de material semelhante ao grafeno em óleo de alto teor de carbono não aditivado foi feita usando um reator de tanque de agitação, como o da Figura 23. Neste exemplo, a dispersão foi usada para lubrificação e as propriedades de lubrificação foram comparadas às do mesmo óleo sem o material semelhante ao grafeno. O óleo com alto teor de carbono foi processado por 40 minutos com propano injetado a 30 psi a uma temperatura de 60 °C. A Tabela 6 mostra o aprimoramento da lubrificação usando a dispersão assim feita em comparação com o óleo antes de fazer o material semelhante ao grafeno. TABELA 6

EXEMPLO 13

[00359] Este exemplo demonstra a redução de óxido de grafeno (GO) em óxido de grafeno reduzido (rGO), de acordo com certas formas de realização de métodos aqui divulgados.

[00360] Um tópico chave na pesquisa e aplicações de óxido de grafeno (GO) é a redução de GO a óxido de grafeno reduzido (rGO). A desvantagem da maioria dos processos usados para transformar GO em rGO é que a qualidade do grafeno é reduzida. Isso ocorre porque os defeitos da rede e grupos funcionais ligados à superfície e bordas não podem ser completamente removidos durante a etapa de redução da oxidação. Igualmente problemático é que, oxidantes fortes, resíduos líquidos e solventes orgânicos usados no processo de redução levantam questões ambientais. Em contraste, certos métodos divulgados neste documento são muito mais simples e não comprometem a qualidade do grafeno ou requerem produtos químicos prejudiciais ao meio ambiente.

[00361] As Figuras 26-27 mostram a redução de GO para rGO usando cisalhamento de bancada para borbulhar propano em GO disperso no solvente polar N-metil-2-pirrolidona (NMP). Esse processo resultou em uma redução do oxigênio atômico no GO de 34% para 20%, o que aumentou a relação C/O de 1,76 para 3,81. O carbono adicionado ao GO veio de carbono adicional gerado no processo de transferência de massa gás-líquido. A Figura 26 e a Tabela 7 resumem as porcentagens atômicas de elementos em óxido de grafeno. TABELA 7

[00362] A FIGURA 27 E A TABELA 8 RESUMEM AS PORCENTAGENS atômicas de elementos em óxido de grafeno reduzido (óxido de grafeno reduzido da Figura 26). TABELA 8

EXEMPLO 14A

[00363] Neste exemplo, o grafeno foi oxidado nas bordas, um exemplo de funcionalização in situ do grafeno, de acordo com certas formas de realização aqui divulgadas.

[00364] O grafeno oxidante de borda é a antítese da redução do grafeno. Em vez do oxigênio ser removido, ele é adicionado judicialmente. A principal razão para adicionar oxigênio ao grafeno puro é tornar o grafeno dispersível em água. Esta não é uma tarefa fácil, porque o grafeno de alta qualidade tem muito poucos defeitos que o tornam hidrofóbico. O dilema é que, para o grafeno se dispersar na água, ele precisa de locais com defeitos. Atualmente, o método mais comum de obtenção de dispersões aquosas de grafeno aquoso com baixo teor de oxigênio é enxertar vários grupos químicos nos locais de defeito limitados do grafeno puro.

[00365] Este exemplo demonstra um processo ambientalmente correto para oxidar levemente o grafeno de alta qualidade. Os reatores de transferência de massa gás-líquido podem ser usados para criar uma oxidação “fraca” do grafeno de forma a evitar danos significativos à rede das plaquetas de grafeno. Danos mínimos resultam em grafeno solúvel em água sem tensoativos ou aditivos. O oxigênio borbulhante com sonicação também reduz a tensão superficial da água para cerca de 42, que está perto de igualar a tensão superficial do grafite. Os técnicos no assunto sabem que a esfoliação líquida é facilitada quando a tensão superficial do líquido está próxima da tensão superficial do grafite. No entanto, o uso de oxigênio borbulhado para diminuir a tensão superficial da água para fins de esfoliação líquida não foi relatado. Este processo não requer o uso de tensoativos, misturas de água/álcool ou solventes caros que prejudicam o meio ambiente. A ideia da saturação de oxigênio diminuindo a tensão superficial da água é apoiada por uma simulação de dinâmica molecular recente (ver, por exemplo, Jain, et al., AIP Advances, 2017, 7, 045001).

[00366] A análise de EDS nas Figuras 28-29 mostra que após 1 hora de processamento de grafeno puro com oxigênio injetado em um reator de cavitação hidrodinâmica, o oxigênio no grafeno aumentou de ~ 0,5% para ~ 6%, e o grafeno tornou-se solúvel em água. A Figura 28 e a Tabela 9 resumem as porcentagens atômicas de elementos no grafeno puro. TABELA 9

[00367] A Figura 29 e a Tabela 10 resumem as porcentagens atômicas de elementos em grafeno parcialmente oxidados (oxidados nas bordas) (grafeno oxidado da Figura 28). TABELA 10

EXEMPLO 14B

[00368] Neste exemplo, o grafeno oxidado na borda do Exemplo 14A foi usado para aumentar a lubricidade de lubrificantes à base de água. Especificamente, a Figura 30 mostra que quando o grafeno disperso em água foi adicionado à porção de água de Master Chemical 685, houve uma redução de 26% no torque necessário para formar roscas em aço. O gráfico superior é o refrigerante sem o grafeno, enquanto o gráfico inferior é com 0,01% de grafeno oxidado na borda. O torque mais baixo reflete maior lubrificação.

EXEMPLO 15

[00369] Neste exemplo, o grafeno catiônico (CGN) foi feito de acordo com certas formas de realização aqui divulgadas. Ajustar as propriedades elétricas do grafeno através da criação de grafeno catiônico é de grande importância em uma ampla área de aplicações eletrônicas avançadas. O doping químico é uma abordagem importante para ajustar a propriedade eletrônica do grafeno. Normalmente, existem dois métodos de dopagem química do grafeno: (1) a adsorção de metal ou moléculas orgânicas na superfície do grafeno, ou (2) dopagem substitucional, que introduz heteroátomos, como átomos de nitrogênio e átomos de boro na rede de carbono do grafeno. Ambos os métodos podem alterar as propriedades eletrônicas do grafeno.

[00370] Este exemplo introduz um método diferente de alteração da natureza eletrônica do grafeno. Embora o grafeno seja normalmente aniônico, um processo de transferência de massa gás-líquido pode ser usado para produzir grafeno catiônico in situ. O processo inclui, por exemplo, borbulhar propano em 1,2-diclorobenzeno sob alto cisalhamento. Nessas condições, a reação de transferência de massa gás-líquido transforma o carbono no sistema gás/líquido de alto cisalhamento em grafeno in situ. O grafeno catiônico produzido a partir de 1,2-diclorobenzeno com a transferência de massa gás- líquido aqui descrita tem um potencial Zeta de +4,99 mV como visto na Figura 31. Isto está em contraste com um potencial Zeta de -33 mV quando o grafeno foi disperso em N-metil-2-pirrolidona (NMP).

DECLARAÇÕES SOBRE INCORPORAÇÃO POR REFERÊNCIA E VARIAÇÕES

[00371] Todas as referências, incluindo publicações, pedidos de patentes e patentes, citadas neste documento, são incorporadas por meio deste por referência na mesma extensão como se cada referência fosse individual e especificamente indicada como sendo incorporada por referência e fossem estabelecidas em sua totalidade neste documento.

[00372] O uso dos termos “um” e “uma” e “o/a” e “pelo menos um” e referências semelhantes no contexto da descrição da invenção (especialmente no contexto das seguintes reivindicações) devem ser interpretados como abrangendo tanto o singular como o plural, a menos que indicado de outra forma aqui ou claramente contradito pelo contexto. O uso do termo “pelo menos um” seguido por uma lista de um ou mais itens (por exemplo, “pelo menos um de A e B”) deve ser interpretado como significando um item selecionado a partir dos itens listados (A ou B) ou qualquer combinação de dois ou mais dos itens listados (A e B), a menos que indicado de outra forma aqui ou claramente contradito pelo contexto. Os termos “compreendendo”, “tendo”, “incluindo” e “contendo” são para serem interpretados como termos abertos (isto é, significando “incluindo, mas não limitado a,”), a menos que indicado de outra maneira. A citação de intervalos de valores neste documento são meramente destinados a servir como um método abreviado de referência individual a cada valor separado caindo dentro do intervalo, a menos que indicado de outra forma neste documento, e cada valor separado é incorporado no relatório descritivo como se fosse individualmente citado neste documento. Todos os métodos descritos neste documento podem ser realizados em qualquer ordem adequada, a menos que indicado de outra forma aqui ou de outra forma claramente contradito pelo contexto. O uso de todo e qualquer exemplo, ou linguagem exemplificativa (por exemplo, “tal como”) fornecido neste documento, destina-se meramente a iluminar melhor a invenção e não representa uma limitação no escopo da invenção, a menos que reivindicado de outra forma. Nenhuma linguagem no relatório descritivo deve ser interpretada como indicando qualquer elemento não reivindicado como essencial para a prática da invenção.

[00373] Quando um grupo Markush ou outro agrupamento é usado neste documento, todos os membros individuais do grupo e todas as combinações e sub-combinações possíveis do grupo devem ser incluídas individualmente na divulgação. Quando um composto é descrito neste documento de modo que um determinado isômero, enantiômero ou diastereômero do composto não é especificado, por exemplo, em uma fórmula ou em um nome químico, essa descrição se destina a incluir cada isômero e enantiômero do composto descrito individual ou em qualquer combinação. Além disso, a menos que especificado de outra forma, todas as variantes isotópicas de compostos divulgados neste documento se destinam a ser abrangidas pela divulgação. Por exemplo, será entendido que qualquer um ou mais hidrogênios em uma molécula divulgada podem ser substituídos por deutério ou trítio. Variantes isotópicas de uma molécula são geralmente úteis como padrões em ensaios para a molécula e em pesquisas químicas e biológicas relacionadas à molécula ou seu uso. Os métodos para fabricar tais variantes isotópicas são conhecidos na técnica. Os nomes específicos dos compostos destinam-se a ser exemplificativos, pois é sabido que um técnico no assunto pode nomear os mesmos compostos de forma diferente.

[00374] Certas moléculas aqui divulgadas podem conter um ou mais grupos ionizáveis (grupos dos quais um próton pode ser removido (por exemplo, -COOH) ou adicionado (por exemplo, aminas) ou que podem ser quaternizados (por exemplo, aminas)). Todas as formas iônicas possíveis de tais moléculas e seus sais se destinam a ser incluídas individualmente na divulgação deste documento. No que diz respeito aos sais dos compostos aqui descritos, um técnico no assunto pode selecionar entre uma grande variedade de contra- íons disponíveis, aqueles que são apropriados para a preparação de sais desta invenção para uma dada aplicação. Em aplicações específicas, a seleção de um determinado ânion ou cátion para a preparação de um sal pode resultar no aumento ou diminuição da solubilidade desse sal.

[00375] Cada método e sistema descrito ou exemplificado neste documento pode ser usado para praticar a invenção, a menos que indicado de outra forma.

[00376] As formas de realização preferidas desta invenção são descritas neste documento, incluindo o melhor modo conhecido pelos inventores para realizar a invenção. Variações dessas formas de realização preferidas podem se tornar aparentes para os técnicos no assunto após a leitura da descrição anterior. Os inventores esperam que os técnicos no assunto empreguem tais variações conforme apropriado, e os inventores pretendem que a invenção seja praticada de outra forma que não conforme especificamente descrito neste documento. Consequentemente, esta invenção inclui todas as modificações e equivalentes do assunto recitado nas reivindicações anexas, conforme permitido pela lei aplicável. Além disso, qualquer combinação dos elementos acima descritos em todas as variações possíveis dos mesmos é abrangida pela invenção, a menos que indicado de outra forma neste documento ou de outra forma claramente contradito pelo contexto.

Claims

1. MÉTODO PARA PRODUZIR UM GRAFENO OU MATERIAL SEMELHANTE AO GRAFENO, caracterizado por compreender: distribuir um líquido compreendendo pelo menos um composto orgânico líquido em uma região de reação de um reator; distribuir um gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso na região de reação do reator; e induzir uma reação química entre pelo menos um composto orgânico líquido e pelo menos um composto orgânico gasoso, em que: a reação química ocorre na região de reação do reator; o grafeno ou material semelhante ao grafeno é feito por meio da reação; o grafeno ou material semelhante ao grafeno é feito durante a reação na forma de uma dispersão compreendendo grafeno ou material semelhante ao grafeno disperso no líquido; e a reação química é uma reação homogênea que compreende nucleação homogênea do grafeno ou material semelhante ao grafeno na região de reação do reator, em que a região de reação é uma região de cavitação do reator de cavitação; e o método compreende a formação de bolhas de cavitação no líquido dentro da região de cavitação do reator de cavitação; em que durante a etapa de distribuição do gás, o gás é distribuído diretamente em ou dentro de 1 mm de uma região de nucleação de bolha de cavitação, a região de nucleação de bolha de cavitação correspondendo à nucleação das bolhas de cavitação na reação de cavitação hidrodinâmica durante a etapa de formação; em que, durante a etapa de formação de uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação na região de cavitação do reator, o gás é distribuído diretamente dentro ou em 1 mm da nuvem de cavitação, e em que a etapa de formação compreende formar uma nuvem de cavitação compreendendo as bolhas de cavitação em que o grafeno ou material semelhante a grafeno é formado dentro da nuvem de cavitação; em que o composto orgânico gasoso é selecionado a partir do grupo que consiste em alcano, alceno, alcino, cicloalcano, heterocicloalcano, areno, heteroareno e uma combinação dos mesmos, em que o alcano, alceno, alcino, cicloalcano, heterocicloalcano, areno, ou heteroareno podem ser opcionalmente substituídos por um ou mais substituintes; e em que pelo menos um composto orgânico líquido é selecionado a partir do grupo que consiste em metanol, etanol, álcool isopropílico, metilpirrolidona, d-ciclopentadieno, hexano, benzeno, tolueno, heptano, xileno, dimetil sulfóxido, óleo mineral, óleo de motor, óleo de base, óleo de rícino hidrogenado, óleo de transmissão, óleo de engrenagem, óleo vegetal, óleo à base de hidrocarboneto, óleo aditivado, óleo não aditivado, querosene, combustível diesel, etileno glicol, propileno glicol, dietileno glicol, trietilamina, trimetilamina, pentano, ciclopentano, ciclohexano, 1,4-dioxano, clorofórmio, éter dietílico, diclorometano, tetrahidrofurano, acetato de etila, acetona, dimetilformamida, acetonitrila, nitrometano, carbonato de propileno, ácido fórmico, butanol, propanol, ácido acético, octadeceno, ácido oleico, oleilamina, octano, dietileno glicol éter, 1,2- diclorobenze, acetato de metila, tetracloroetileno, difeniltioureia, hexafluro-2- propanol, ácido cinâmico, trimetilamina, benzentiol, etanotiol, etanoditiol, 4- aminobenzenotiol, ácido acrílico, dissulfeto de carbono, 1,2-diclorobenzeno, N- metil-2-pirrolidona e qualquer combinação dos mesmos

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela reação química compreender a transferência de massa gás-líquido.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por uma composição do gás ser diferente de uma composição do líquido.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por uma composição do pelo menos um composto gasoso ser diferente de uma composição do pelo menos um composto orgânico líquido.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela etapa de distribuição do líquido ser realizada por meio de uma primeira corrente de entrada na região de reação e a etapa de distribuição do gás ser realizada por meio de uma segunda corrente de entrada na região de reação; em que o primeiro caminho de fluxo e o segundo fluxo de entrada são diferentes e fisicamente separados.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela etapa de distribuição do líquido e pela etapa de distribuição do gás serem realizadas simultaneamente ou pela etapa de distribuição do gás ser realizada após o líquido ser distribuído à região de reação.

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela distribuição do gás compreender arrastar o gás no líquido, injetar o gás no líquido, borbulhar o gás no líquido ou uma combinação destes.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo gás ser distribuído diretamente na região de reação durante a etapa de distribuição do gás.

9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela etapa de induzir a reação química compreender induzir uma força de cisalhamento no líquido.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo líquido compreender água.

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por compreender ainda funcionalizar o grafeno ou material semelhante ao grafeno para fornecer um material de carbono sólido funcionalizado.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pela dispersão ser uma primeira dispersão, a reação química ser uma primeira reação química, o grafeno ou o material semelhante ao grafeno ser um material precursor, o gás ser um primeiro gás e o reator ser um primeiro reator; o método compreendendo ainda: distribuir a primeira dispersão em um segundo reator; distribuir um segundo gás compreendendo pelo menos um composto orgânico gasoso diretamente em uma região de reação do segundo reator; e induzir uma segunda reação química na região de reação do segundo reator; em que: a segunda reação química converte o material precursor em um segundo grafeno ou material semelhante ao grafeno ; o grafeno ou material semelhante ao grafeno é disperso no líquido; e o material precursor e o segundo grafeno ou material semelhante ao grafeno são diferentes.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo segundo reator ser um reator de cavitação e a etapa de indução compreender a formação de bolhas de cavitação na primeira dispersão dentro da região de reação do segundo reator.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo primeiro reator e o segundo reator serem iguais.