CN109803768A

CN109803768A - 通过压缩流连续产生剥离型2d层状材料

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Publication number: CN109803768A
Application number: CN201780059878.4A
Authority: CN
Inventors: 理查德·B·卡内尔; 艾米丽·蓬·纳·恩固因; 赛义德·雷扎·里兹维
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-05-24
Also published as: KR102498683B1; US20210154977A1; CN115196624A; EP3490717A4; TWI743215B; TW201813944A; JP7094024B2; IL265404B2; AU2017335685B2; WO2018064152A1; AU2017335685A1; JP2019532001A; CA3036086A1; US20180093454A1; EP3490717B1; MX2019003391A; IL265404A; US11472158B2; US10882276B2; IL265404B1

Abstract

本文描述了用于连续产生剥离型二维(2D)材料的方法，所述方法包括使2D材料混合物穿过敛散喷嘴，所述2D材料混合物包括2D层状材料和可压缩流体。本公开的方法采用高压气体流的物理压缩和膨胀，从而使所述2D层状材料基本上无缺陷以便以简单、连续且环境友好的方式产生剥离型2D层状。

Description

通过压缩流连续产生剥离型2D层状材料

交叉引用

本申请要求2016年9月30日提交的美国临时申请号62/402,591的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。

背景技术

在过去十年中，人们在产生单层二维(2D)层状材料方面存在显著兴趣。根据其化学结构，单片层状材料具有许多有益的性质，如高机械强度、高电导率和热导率、独特的量子力学效应和高表面积，所述材料可用于催化和能量储存等。与其他更苛刻的用于剥离2D层状材料的方法(如化学插层或超声处理)不同，本公开的方法仅依赖于高压气体流的物理压缩和膨胀，从而使所述2D层状材料在很大程度上没有缺陷。剥离型2D层状材料以简单、连续和环境友好的方式产生。本公开的方法提供充足且廉价的剥离型2D层状材料供应，这为其大规模扩增和进一步应用开发开辟了道路。

二维(2D)纳米材料在下一代电子产品、消费品、能量产生和储存以及医疗保健领域具有众多应用。2D纳米材料的实用性和应用的迅速增长需要开发用于大规模生产的方式。2D和层状材料领域在过去的几十年中引起了极大兴趣，这是由于当块体材料被分离成其2D形式时表现出来的各种独特性质。此类层状材料包括石墨烯、过渡金属二硫属化物(如二硫化钼[MoS₂]和二硫化钨[WS₂])以及氮化硼，其独特的性质包括高机械强度、高电导率和热导率、高表面积和独特的量子力学效应。然而，这些性质通常取决于晶格结构、材料的品质和分离层的数量。因此，在过去的十年中，已经对众多合成和剥离高品质2D材料的方法进行了大量的研究工作，同时优化产量并降低成本和处理时间。

用于下一代电子产品、消费品、能量产生和储存以及医疗保健应用的2D层状材料(如石墨、氮化硼和MoS₂)的研究和开发非常普遍，并且因此需要开发用于大规模生产单层2D材料的方法。

发明内容

本文公开了使用悬浮在经历等熵膨胀的高压气体中的2D层状材料的多相流来剥离二维(2D)纳米材料的连续流剥离(CFE)方法。在一些实施方案中，在溶剂中喷射膨胀气体，其中大部分(多达20％)的初始材料每个颗粒剥离成几层。剥离归因于2D层状材料在窄通道中和在可压缩气体的快速等熵膨胀存在下经历的高剪切速率在一些实施方案中，本文所述的方法具有相对于现有2D材料剥离方法的显著益处，如关于化学插层和剥离以及液相剪切剥离，其中最明显的是所述过程的快速、连续性质。其他优点包括环境友好的处理、减少缺陷的发生以及使用任何气态介质待应用于任何2D层状材料的通用性。将这一过程扩展至工业产生很有可能使剥离2D纳米材料的市场价格降低一个数量级。

本文提供的方法涉及批处理并且涉及超临界流体。本公开的方法不受这些因素的限制；相反，所述方法依赖于高压流，从而使其适合于连续操作，并且它们可能涉及任何可压缩流体。

本文提供了用于连续流剥离的方法和用于通过以连续方式流动通过细喷嘴和孔口的高速可压缩流体来剥离2D层状材料的方法。基本原理是基于使悬浮在可压缩介质中的2D层状材料的多相流加速至接近音速和超音速速度，由此产生足够的剪切速率以引起层减少和剥离。此外，所述流处的冲击波和低压的存在也有助于层减少和剥离。使用氦气和氮化硼颗粒，所述CFE方法形成2D纳米材料在异丙醇中的悬浮液，所述2D纳米材料具有4.2纳米(nm)的平均厚度和276nm的平均长度以及约65的平均纵横比。本文教导的CFE方法能够使用多种气体(如氦气、氮气和二氧化碳)来剥离其他2D纳米材料，如石墨烯和硫化钼。除了在短持续时间内达到的高浓度(0.2毫克/毫升[mg/mL])外，CFE的优点还包括能够使剥离和悬浮稳定化过程彼此隔离、环境友好的处理以及减少缺陷的发生，所述缺陷否则可能出现在可比较的基于超声时间的处理中。使用可压缩气体的连续流进行高通量2D纳米材料生产代表了经济上可行的大规模制造的范式转变，具有将成本降低一个数量级或更多的潜力。

本文提供的一个方面是一种用于连续产生剥离型2D材料的方法，所述方法包括使2D材料混合物穿过敛散喷嘴，所述2D材料混合物包含2D层状材料和可压缩流体。

在一些实施方案中，所述2D层状材料包括石墨、石墨烯、氮化硼、单层氮化硼、二硫化钼(MoS₂)、单层MoS₂或其任何组合。在一些实施方案中，所述可压缩流体包括空气、氮气、二氧化碳、氦气或其任何组合。

在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是约0.01mg/mL至约0.4mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是至少约0.01mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是至多约0.4mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是约0.01mg/mL至约0.02mg/mL、约0.01mg/mL至约0.05mg/mL、约0.01mg/mL至约0.1mg/mL、约0.01mg/mL至约0.15mg/mL、约0.01mg/mL至约0.2mg/mL、约0.01mg/mL至约0.25mg/mL、约0.01mg/mL至约0.3mg/mL、约0.01mg/mL至约0.35mg/mL、约0.01mg/mL至约0.4mg/mL、约0.02mg/mL至约0.05mg/mL、约0.02mg/mL至约0.1mg/mL、约0.02mg/mL至约0.15mg/mL、约0.02mg/mL至约0.2mg/mL、约0.02mg/mL至约0.25mg/mL、约0.02mg/mL至约0.3mg/mL、约0.02mg/mL至约0.35mg/mL、约0.02mg/mL至约0.4mg/mL、约0.05mg/mL至约0.1mg/mL、约0.05mg/mL至约0.15mg/mL、约0.05mg/mL至约0.2mg/mL、约0.05mg/mL至约0.25mg/mL、约0.05mg/mL至约0.3mg/mL、约0.05mg/mL至约0.35mg/mL、约0.05mg/mL至约0.4mg/mL、约0.1mg/mL至约0.15mg/mL、约0.1mg/mL至约0.2mg/mL、约0.1mg/mL至约0.25mg/mL、约0.1mg/mL至约0.3mg/mL、约0.1mg/mL至约0.35mg/mL、约0.1mg/mL至约0.4mg/mL、约0.15mg/mL至约0.2mg/mL、约0.15mg/mL至约0.25mg/mL、约0.15mg/mL至约0.3mg/mL、约0.15mg/mL至约0.35mg/mL、约0.15mg/mL至约0.4mg/mL、约0.2mg/mL至约0.25mg/mL、约0.2mg/mL至约0.3mg/mL、约0.2mg/mL至约0.35mg/mL、约0.2mg/mL至约0.4mg/mL、约0.25mg/mL至约0.3mg/mL、约0.25mg/mL至约0.35mg/mL、约0.25mg/mL至约0.4mg/mL、约0.3mg/mL至约0.35mg/mL、约0.3mg/mL至约0.4mg/mL或约0.35mg/mL至约0.4mg/mL。在一些实施方案中，所述2D材料混合物中2D层状材料的浓度是约0.01mg/mL、约0.02mg/mL、约0.05mg/mL、约0.1mg/mL、约0.15mg/mL、约0.2mg/mL、约0.25mg/mL、约0.3mg/mL、约0.35mg/mL或约0.4mg/mL。

在一些实施方案中，所述敛散喷嘴包括德拉瓦尔喷嘴、阀、孔口、细管或其任何组合。在一些实施方案中，所述阀包括针形阀、蝶形阀、球形阀、夹管阀、可调节流量阀、单向流量阀或其任何组合。在一些实施方案中，所述2D材料混合物以小于可压缩流体中的声速的速度进入敛散喷嘴。在一些实施方案中，所述2D材料混合物以大于可压缩流体中的声速的速度离开敛散喷嘴。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个包括至多约20层的薄片。在一些实施方案中，所述2D材料混合物还包含溶剂。

在一些实施方案中，使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴包括向所述2D材料混合物施加约200磅/平方英寸(psi)至约4,000psi的压力。在一些实施方案中，使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴包括向所述2D材料混合物施加至少约200psi的压力。在一些实施方案中，使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴包括向所述2D材料混合物施加至多约4,000psi的压力。在一些实施方案中，使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴包括向所述2D材料混合物施加约200psi至约300psi、约200psi至约400psi、约200psi至约500psi、约200psi至约750psi、约200psi至约1,000psi、约200psi至约1,500psi、约200psi至约2,000psi、约200psi至约2,500psi、约200psi至约3,000psi、约200psi至约3,500psi、约200psi至约4,000psi、约300psi至约400psi、约300psi至约500psi、约300psi至约750psi、约300psi至约1,000psi、约300psi至约1,500psi、约300psi至约2,000psi、约300psi至约2,500psi、约300psi至约3,000psi、约300psi至约3,500psi、约300psi至约4,000psi、约400psi至约500psi、约400psi至约750psi、约400psi至约1,000psi、约400psi至约1,500psi、约400psi至约2,000psi、约400psi至约2,500psi、约400psi至约3,000psi、约400psi至约3,500psi、约400psi至约4,000psi、约500psi至约750psi、约500psi至约1,000psi、约500psi至约1,500psi、约500psi至约2,000psi、约500psi至约2,500psi、约500psi至约3,000psi、约500psi至约3,500psi、约500psi至约4,000psi、约750psi至约1,000psi、约750psi至约1,500psi、约750psi至约2,000psi、约750psi至约2,500psi、约750psi至约3,000psi、约750psi至约3,500psi、约750psi至约4,000psi、约1,000psi至约1,500psi、约1,000psi至约2,000psi、约1,000psi至约2,500psi、约1,000psi至约3,000psi、约1,000psi至约3,500psi、约1,000psi至约4,000psi、约1,500psi至约2,000psi、约1,500psi至约2,500psi、约1,500psi至约3,000psi、约1,500psi至约3,500psi、约1,500psi至约4,000psi、约2,000psi至约2,500psi、约2,000psi至约3,000psi、约2,000psi至约3,500psi、约2,000psi至约4,000psi、约2,500psi至约3,000psi、约2,500psi至约3,500psi、约2,500psi至约4,000psi、约3,000psi至约3,500psi、约3,000psi至约4,000psi或约3,500psi至约4,000psi的压力。在一些实施方案中，使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴包括向所述2D材料混合物施加约200psi、约300psi、约400psi、约500psi、约750psi、约1,000psi、约1,500psi、约2,000psi、约2,500psi、约3,000psi、约3,500psi或约4,000psi的压力。

在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约0.005毫米(mm)至约0.5mm的喉道尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有至少约0.005mm的喉道尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有至多约0.5mm的喉道尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约0.005mm至约0.0075mm、约0.005mm至约0.01mm、约0.005mm至约0.025mm、约0.005mm至约0.05mm、约0.005mm至约0.075mm、约0.005mm至约0.1mm、约0.005mm至约0.2mm、约0.005mm至约0.3mm、约0.005mm至约0.4mm、约0.005mm至约0.5mm、约0.0075mm至约0.01mm、约0.0075mm至约0.025mm、约0.0075mm至约0.05mm、约0.0075mm至约0.075mm、约0.0075mm至约0.1mm、约0.0075mm至约0.2mm、约0.0075mm至约0.3mm、约0.0075mm至约0.4mm、约0.0075mm至约0.5mm、约0.01mm至约0.025mm、约0.01mm至约0.05mm、约0.01mm至约0.075mm、约0.01mm至约0.1mm、约0.01mm至约0.2mm、约0.01mm至约0.3mm、约0.01mm至约0.4mm、约0.01mm至约0.5mm、约0.025mm至约0.05mm、约0.025mm至约0.075mm、约0.025mm至约0.1mm、约0.025mm至约0.2mm、约0.025mm至约0.3mm、约0.025mm至约0.4mm、约0.025mm至约0.5mm、约0.05mm至约0.075mm、约0.05mm至约0.1mm、约0.05mm至约0.2mm、约0.05mm至约0.3mm、约0.05mm至约0.4mm、约0.05mm至约0.5mm、约0.075mm至约0.1mm、约0.075mm至约0.2mm、约0.075mm至约0.3mm、约0.075mm至约0.4mm、约0.075mm至约0.5mm、约0.1mm至约0.2mm、约0.1mm至约0.3mm、约0.1mm至约0.4mm、约0.1mm至约0.5mm、约0.2mm至约0.3mm、约0.2mm至约0.4mm、约0.2mm至约0.5mm、约0.3mm至约0.4mm、约0.3mm至约0.5mm或约0.4mm至约0.5mm的喉道尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约0.005mm、约0.0075mm、约0.01mm、约0.025mm、约0.05mm、约0.075mm、约0.1mm、约0.2mm、约0.3mm、约0.4mm或约0.5mm的喉道尺寸。

在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约3mm至约10mm的入口或出口尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有至少约3mm的入口或出口尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有至多约10mm的入口或出口尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约3mm至约3.5mm、约3mm至约4mm、约3mm至约4.5mm、约3mm至约5mm、约3mm至约5.5mm、约3mm至约6mm、约3mm至约6.5mm、约3mm至约7mm、约3mm至约8mm、约3mm至约9mm、约3mm至约10mm、约3.5mm至约4mm、约3.5mm至约4.5mm、约3.5mm至约5mm、约3.5mm至约5.5mm、约3.5mm至约6mm、约3.5mm至约6.5mm、约3.5mm至约7mm、约3.5mm至约8mm、约3.5mm至约9mm、约3.5mm至约10mm、约4mm至约4.5mm、约4mm至约5mm、约4mm至约5.5mm、约4mm至约6mm、约4mm至约6.5mm、约4mm至约7mm、约4mm至约8mm、约4mm至约9mm、约4mm至约10mm、约4.5mm至约5mm、约4.5mm至约5.5mm、约4.5mm至约6mm、约4.5mm至约6.5mm、约4.5mm至约7mm、约4.5mm至约8mm、约4.5mm至约9mm、约4.5mm至约10mm、约5mm至约5.5mm、约5mm至约6mm、约5mm至约6.5mm、约5mm至约7mm、约5mm至约8mm、约5mm至约9mm、约5mm至约10mm、约5.5mm至约6mm、约5.5mm至约6.5mm、约5.5mm至约7mm、约5.5mm至约8mm、约5.5mm至约9mm、约5.5mm至约10mm、约6mm至约6.5mm、约6mm至约7mm、约6mm至约8mm、约6mm至约9mm、约6mm至约10mm、约6.5mm至约7mm、约6.5mm至约8mm、约6.5mm至约9mm、约6.5mm至约10mm、约7mm至约8mm、约7mm至约9mm、约7mm至约10mm、约8mm至约9mm、约8mm至约10mm或约9mm至约10mm的入口或出口尺寸。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约3mm、约3.5mm、约4mm、约4.5mm、约5mm、约5.5mm、约6mm、约6.5mm、约7mm、约8mm、约9mm或约10mm的入口或出口尺寸。

在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约15厘米(cm)至约60cm的长度。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有至少约15cm的长度。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有至多约60cm的长度。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约15cm至约20cm、约15cm至约25cm、约15cm至约30cm、约15cm至约35cm、约15cm至约40cm、约15cm至约45cm、约15cm至约50cm、约15cm至约55cm、约15cm至约60cm、约20cm至约25cm、约20cm至约30cm、约20cm至约35cm、约20cm至约40cm、约20cm至约45cm、约20cm至约50cm、约20cm至约55cm、约20cm至约60cm、约25cm至约30cm、约25cm至约35cm、约25cm至约40cm、约25cm至约45cm、约25cm至约50cm、约25cm至约55cm、约25cm至约60cm、约30cm至约35cm、约30cm至约40cm、约30cm至约45cm、约30cm至约50cm、约30cm至约55cm、约30cm至约60cm、约35cm至约40cm、约35cm至约45cm、约35cm至约50cm、约35cm至约55cm、约35cm至约60cm、约40cm至约45cm、约40cm至约50cm、约40cm至约55cm、约40cm至约60cm、约45cm至约50cm、约45cm至约55cm、约45cm至约60cm、约50cm至约55cm、约50cm至约60cm或约55cm至约60cm的长度。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴具有约15cm、约20cm、约25cm、约30cm、约35cm、约40cm、约45cm、约50cm、约55cm或约60cm的长度。

在一些实施方案中，所述敛散喷嘴的喉道与入口尺寸比和喉道与出口尺寸比中的至少一个为约15至约60。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴的喉道与入口尺寸比和喉道与出口尺寸比中的至少一个为至少约15。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴的喉道与入口尺寸比和喉道与出口尺寸比中的至少一个为至多约60。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴的喉道与入口尺寸比和喉道与出口尺寸比中的至少一个为约15至约20、约15至约25、约15至约30、约15至约35、约15至约40、约15至约45、约15至约50、约15至约55、约15至约60、约20至约25、约20至约30、约20至约35、约20至约40、约20至约45、约20至约50、约20至约55、约20至约60、约25至约30、约25至约35、约25至约40、约25至约45、约25至约50、约25至约55、约25至约60、约30至约35、约30至约40、约30至约45、约30至约50、约30至约55、约30至约60、约35至约40、约35至约45、约35至约50、约35至约55、约35至约60、约40至约45、约40至约50、约40至约55、约40至约60、约45至约50、约45至约55、约45至约60、约50至约55、约50至约60或约55至约60。在一些实施方案中，所述敛散喷嘴的喉道与入口尺寸比和喉道与出口尺寸比中的至少一个为约15、约20、约25、约30、约35、约40、约45、约50、约55或约60。

在一些实施方案中，由剥离型2D材料产生的2D层状材料的百分比是约50％至约100％。在一些实施方案中，由剥离型2D材料产生的2D层状材料的百分比是至少约50％。在一些实施方案中，由剥离型2D材料产生的2D层状材料的百分比是至多约100％。在一些实施方案中，由剥离型2D材料产生的2D层状材料的百分比是约50％至约55％、约50％至约60％、约50％至约65％、约50％至约70％、约50％至约75％、约50％至约80％、约50％至约85％、约50％至约90％、约50％至约95％、约50％至约100％、约55％至约60％、约55％至约65％、约55％至约70％、约55％至约75％、约55％至约80％、约55％至约85％、约55％至约90％、约55％至约95％、约55％至约100％、约60％至约65％、约60％至约70％、约60％至约75％、约60％至约80％、约60％至约85％、约60％至约90％、约60％至约95％、约60％至约100％、约65％至约70％、约65％至约75％、约65％至约80％、约65％至约85％、约65％至约90％、约65％至约95％、约65％至约100％、约70％至约75％、约70％至约80％、约70％至约85％、约70％至约90％、约70％至约95％、约70％至约100％、约75％至约80％、约75％至约85％、约75％至约90％、约75％至约95％、约75％至约100％、约80％至约85％、约80％至约90％、约80％至约95％、约80％至约100％、约85％至约90％、约85％至约95％、约85％至约100％、约90％至约95％、约90％至约100％或约95％至约100％。在一些实施方案中，由剥离型2D材料产生的2D层状材料的百分比是约50％、约55％、约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％、约90％、约95％或约100％。

在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均纵横比为约10至约1,000的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均纵横比为至少约10的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均纵横比为至多约1,000的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均纵横比为约10至约25、约10至约50、约10至约75、约10至约100、约10至约200、约10至约300、约10至约400、约10至约500、约10至约600、约10至约800、约10至约1,000、约25至约50、约25至约75、约25至约100、约25至约200、约25至约300、约25至约400、约25至约500、约25至约600、约25至约800、约25至约1,000、约50至约75、约50至约100、约50至约200、约50至约300、约50至约400、约50至约500、约50至约600、约50至约800、约50至约1,000、约75至约100、约75至约200、约75至约300、约75至约400、约75至约500、约75至约600、约75至约800、约75至约1,000、约100至约200、约100至约300、约100至约400、约100至约500、约100至约600、约100至约800、约100至约1,000、约200至约300、约200至约400、约200至约500、约200至约600、约200至约800、约200至约1,000、约300至约400、约300至约500、约300至约600、约300至约800、约300至约1,000、约400至约500、约400至约600、约400至约800、约400至约1,000、约500至约600、约500至约800、约500至约1,000、约600至约800、约600至约1,000或约800至约1,000的薄片。

在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均厚度为约0.35nm至约10nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均厚度为至少约0.35nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均厚度为至多约10nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均厚度为约0.35nm至约0.5nm、约0.35nm至约1nm、约0.35nm至约2nm、约0.35nm至约3nm、约0.35nm至约4nm、约0.35nm至约5nm、约0.35nm至约6nm、约0.35nm至约7nm、约0.35nm至约8nm、约0.35nm至约9nm、约0.35nm至约10nm、约0.5nm至约1nm、约0.5nm至约2nm、约0.5nm至约3nm、约0.5nm至约4nm、约0.5nm至约5nm、约0.5nm至约6nm、约0.5nm至约7nm、约0.5nm至约8nm、约0.5nm至约9nm、约0.5nm至约10nm、约1nm至约2nm、约1nm至约3nm、约1nm至约4nm、约1nm至约5nm、约1nm至约6nm、约1nm至约7nm、约1nm至约8nm、约1nm至约9nm、约1nm至约10nm、约2nm至约3nm、约2nm至约4nm、约2nm至约5nm、约2nm至约6nm、约2nm至约7nm、约2nm至约8nm、约2nm至约9nm、约2nm至约10nm、约3nm至约4nm、约3nm至约5nm、约3nm至约6nm、约3nm至约7nm、约3nm至约8nm、约3nm至约9nm、约3nm至约10nm、约4nm至约5nm、约4nm至约6nm、约4nm至约7nm、约4nm至约8nm、约4nm至约9nm、约4nm至约10nm、约5nm至约6nm、约5nm至约7nm、约5nm至约8nm、约5nm至约9nm、约5nm至约10nm、约6nm至约7nm、约6nm至约8nm、约6nm至约9nm、约6nm至约10nm、约7nm至约8nm、约7nm至约9nm、约7nm至约10nm、约8nm至约9nm、约8nm至约10nm或约9nm至约10nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均厚度为约0.35nm、约0.5nm、约1nm、约2nm、约3nm、约4nm、约5nm、约6nm、约7nm、约8nm、约9nm或约10nm的薄片。

在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均长度为约50nm至约1,600nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个长度为至少约50nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均长度为至多约1,600nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均长度为约50nm至约100nm、约50nm至约200nm、约50nm至约300nm、约50nm至约400nm、约50nm至约500nm、约50nm至约750nm、约50nm至约1,000nm、约50nm至约1,250nm、约50nm至约1,500nm、约50nm至约1,600nm、约100nm至约200nm、约100nm至约300nm、约100nm至约400nm、约100nm至约500nm、约100nm至约750nm、约100nm至约1,000nm、约100nm至约1,250nm、约100nm至约1,500nm、约100nm至约1,600nm、约200nm至约300nm、约200nm至约400nm、约200nm至约500nm、约200nm至约750nm、约200nm至约1,000nm、约200nm至约1,250nm、约200nm至约1,500nm、约200nm至约1,600nm、约300nm至约400nm、约300nm至约500nm、约300nm至约750nm、约300nm至约1,000nm、约300nm至约1,250nm、约300nm至约1,500nm、约300nm至约1,600nm、约400nm至约500nm、约400nm至约750nm、约400nm至约1,000nm、约400nm至约1,250nm、约400nm至约1,500nm、约400nm至约1,600nm、约500nm至约750nm、约500nm至约1,000nm、约500nm至约1,250nm、约500nm至约1,500nm、约500nm至约1,600nm、约750nm至约1,000nm、约750nm至约1,250nm、约750nm至约1,500nm、约750nm至约1,600nm、约1,000nm至约1,250nm、约1,000nm至约1,500nm、约1,000nm至约1,600nm、约1,250nm至约1,500nm、约1,250nm至约1,600nm或约1,500nm至约1,600nm的薄片。在一些实施方案中，所述剥离型2D材料包括多个平均长度为约50nm、约100nm、约200nm、约300nm、约400nm、约500nm、约750nm、约1,000nm、约1,250nm、约1,500nm或约1,600nm的薄片。

在一些实施方案中，所述剥离型2D材料的离心以约700转/分钟(rpm)至约4,000rpm的速率进行。在一些实施方案中，所述离心以至少约700rpm的速率进行。在一些实施方案中，所述离心以至多约4,000rpm的速率进行。在一些实施方案中，所述离心以约700rpm至约800rpm、约700rpm至约1,000rpm、约700rpm至约1,200rpm、约700rpm至约1,400rpm、约700rpm至约1,600rpm、约700rpm至约1,800rpm、约700rpm至约2,000rpm、约700rpm至约2,500rpm、约700rpm至约3,000rpm、约700rpm至约3,500rpm、约700rpm至约4,000rpm、约800rpm至约1,000rpm、约800rpm至约1,200rpm、约800rpm至约1,400rpm、约800rpm至约1,600rpm、约800rpm至约1,800rpm、约800rpm至约2,000rpm、约800rpm至约2,500rpm、约800rpm至约3,000rpm、约800rpm至约3,500rpm、约800rpm至约4,000rpm、约1,000rpm至约1,200rpm、约1,000rpm至约1,400rpm、约1,000rpm至约1,600rpm、约1,000rpm至约1,800rpm、约1,000rpm至约2,000rpm、约1,000rpm至约2,500rpm、约1,000rpm至约3,000rpm、约1,000rpm至约3,500rpm、约1,000rpm至约4,000rpm、约1,200rpm至约1,400rpm、约1,200rpm至约1,600rpm、约1,200rpm至约1,800rpm、约1,200rpm至约2,000rpm、约1,200rpm至约2,500rpm、约1,200rpm至约3,000rpm、约1,200rpm至约3,500rpm、约1,200rpm至约4,000rpm、约1,400rpm至约1,600rpm、约1,400rpm至约1,800rpm、约1,400rpm至约2,000rpm、约1,400rpm至约2,500rpm、约1,400rpm至约3,000rpm、约1,400rpm至约3,500rpm、约1,400rpm至约4,000rpm、约1,600rpm至约1,800rpm、约1,600rpm至约2,000rpm、约1,600rpm至约2,500rpm、约1,600rpm至约3,000rpm、约1,600rpm至约3,500rpm、约1,600rpm至约4,000rpm、约1,800rpm至约2,000rpm、约1,800rpm至约2,500rpm、约1,800rpm至约3,000rpm、约1,800rpm至约3,500rpm、约1,800rpm至约4,000rpm、约2,000rpm至约2,500rpm、约2,000rpm至约3,000rpm、约2,000rpm至约3,500rpm、约2,000rpm至约4,000rpm、约2,500rpm至约3,000rpm、约2,500rpm至约3,500rpm、约2,500rpm至约4,000rpm、约3,000rpm至约3,500rpm、约3,000rpm至约4,000rpm或约3,500rpm至约4,000rpm的速率进行。在一些实施方案中，所述离心以约700rpm、约800rpm、约1,000rpm、约1,200rpm、约1,400rpm、约1,600rpm、约1,800rpm、约2,000rpm、约2,500rpm、约3,000rpm、约3,500rpm或约4,000rpm的速率进行。

在一些实施方案中，所述剥离型2D材料的离心进行约2分钟至约180分钟的时间段。在一些实施方案中，所述离心进行至少约2分钟的时间段。在一些实施方案中，所述离心进行至多约180分钟的时间段。在一些实施方案中，所述离心进行约2分钟至约5分钟、约2分钟至约10分钟、约2分钟至约25分钟、约2分钟至约50分钟、约2分钟至约75分钟、约2分钟至约100分钟、约2分钟至约125分钟、约2分钟至约150分钟、约2分钟至约180分钟、约5分钟至约10分钟、约5分钟至约25分钟、约5分钟至约50分钟、约5分钟至约75分钟、约5分钟至约100分钟、约5分钟至约125分钟、约5分钟至约150分钟、约5分钟至约180分钟、约10分钟至约25分钟、约10分钟至约50分钟、约10分钟至约75分钟、约10分钟至约100分钟、约10分钟至约125分钟、约10分钟至约150分钟、约10分钟至约180分钟、约25分钟至约50分钟、约25分钟至约75分钟、约25分钟至约100分钟、约25分钟至约125分钟、约25分钟至约150分钟、约25分钟至约180分钟、约50分钟至约75分钟、约50分钟至约100分钟、约50分钟至约125分钟、约50分钟至约150分钟、约50分钟至约180分钟、约75分钟至约100分钟、约75分钟至约125分钟、约75分钟至约150分钟、约75分钟至约180分钟、约100分钟至约125分钟、约100分钟至约150分钟、约100分钟至约180分钟、约125分钟至约150分钟、约125分钟至约180分钟或约150分钟至约180分钟的时间段。在一些实施方案中，所述离心进行约2分钟、约5分钟、约10分钟、约25分钟、约50分钟、约75分钟、约100分钟、约125分钟、约150分钟或约180分钟的时间段。

附图说明

并入且形成本说明书一部分的附图示出本公开的若干方面，并且连同描述内容一起用来解释本公开的原理。

图1是示出穿过敛散通道的二维(2D)层状材料的剥离的图。

图2是示出以超音速速度穿过孔口的2D层状材料的剥离的图。

图3A示出针形阀的示例性图。

图3B示出阀杆和流动通道的示例性图。

图3C示出阀杆的近视图的示例性图。

图4是示出用于通过高压流压缩和膨胀来剥离2D层状材料的示例性设备的图。

图5是示出用于流压缩和膨胀的示例性容器阀设备的内部机构的图。

图6是示出在连续流剥离(CFE)处理中2D纳米材料收集设备的配置和效率的图。

图7A示出流动通道中的示例性计算流体动力学(CFD)速度表面图。

图7B示出环形孔口中的示例性CFD详细速度表面图。

图8A示出在1.4兆帕(MPa)的上游压力下流动通道中的示例性CFD剪切速率表面图。

图8B示出在2.8MPa的上游压力下流动通道中的示例性CFD剪切速率表面图。

图8C示出在5.5MPa的上游压力下流动通道中的示例性CFD剪切速率表面图。

图8D示出在14MPa的上游压力下流动通道中的示例性CFD剪切速率表面图。

图9A示出在5.5MPa的上游压力和0.1毫米(mm)的间隙下流动通道中的氮化硼(BN)的示例性CFD速度表面图。

图9B示出在5.5MPa的上游压力和0.1mm的间隙下流动通道中BN的最小截面处的剪切速率的示例性线扫描轮廓。

图10A示出氮化硼的CFE和液相剥离(LPE)的悬浮液的示例性紫外-可见分光光度法(UV-Vis)光谱。

图10B示出石墨的CFE和LPE剥离的悬浮液的示例性UV-Vis光谱。

图10C示出二硫化钼的CFE和LPE剥离的悬浮液的示例性UV-Vis光谱。

图10D示出氮化硼的CFE和LPE剥离的悬浮液的示例性拉曼光谱。

图10E示出石墨的CFE和LPE剥离的悬浮液的示例性拉曼光谱。

图10F示出二硫化钼的CFE和LPE剥离的悬浮液的示例性拉曼光谱。

图11A示出表示初始BN浓度对CFE后最终BN浓度的示例性影响的图。

图11B示出表示上游气体压力对CFE后最终BN浓度的示例性影响的图。

图11C示出表示流动几何特性对CFE后最终BN浓度的示例性影响的图。

图11D示出表示载气对CFE后最终BN浓度的示例性影响的图。

图12A示出在5.5MPa的驱动压力下示例性CFE处理的BN的厚度的直方图。

图12B示出在5.5MPa的驱动压力下示例性CFE处理的BN的长度的直方图。

图12C示出在10MPa的驱动压力下示例性CFE处理的BN的厚度的直方图。

图12D示出在10MPa的驱动压力下示例性CFE处理的BN的长度的直方图。

图13A示出CFE后分离的BN薄片的示例性原子力显微镜扫描图像，其中插图示出高度轮廓和厚度分布。

图13B示出由CFE产生的BN 2D材料的衍射图的示例性透射电子显微镜(TEM)图像。

图13C示出由CFE产生的石墨2D材料的衍射图的示例性TEM图像。

图13D示出由CFE产生的二硫化钼2D材料的衍射图的示例性TEM图像。

图14A示出具有莫尔(Moiré)区的重新堆叠的BN纳米片的第一示例性TEM图像。

图14B示出具有莫尔区的重新堆叠的BN纳米片的第二示例性TEM图像。

图14C示出具有莫尔区的重新堆叠的BN纳米片的第三示例性TEM图像。

图15A示出CFE处理的BN的示例性TEM图像。

图15B示出CFE处理的石墨烯的示例性TEM图像。

图15C示出CFE处理的二硫化钼的示例性TEM图像。

图15D示出LPE处理的BN的示例性TEM图像。

图15E示出LPE处理的石墨烯的示例性TEM图像。

图15F示出LPE处理的二硫化钼的示例性TEM图像。

图16A示出通过高压流体流处理的BN的示例性胶态分散体的图像。

图16B示出通过高压流体流处理的在各种乙醇对照中的BN的示例性胶态分散体的图像。

图17A示出离心后BN的剥离悬浮液的示例性图像。

图17B示出离心后石墨烯的剥离悬浮液的示例性图像。

图17C示出离心后二硫化钼的剥离悬浮液的示例性图像。

图18示出用于在CFE处理中收集2D纳米材料的示例性设备。

具体实施方式

在结合附图阅读以下详细描述之后，本领域技术人员将理解本公开的范围并且认识到其附加方面。

应该理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一项或多项的任意和所有组合。

应理解，当元件如层、区域或基底被称为“在另一元件之上”或延伸“到另一元件上”时，其可直接在另一元件之上或者直接延伸到另一元件上，或者也可存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件之上”或“直接延伸到另一元件上”时，则不存在中间元件。同样，应理解，当元件如层、区域或基底被称为“在另一元件之上”或“在另一元件之上延伸”时，其可直接在另一元件之上或者直接在另一元件之上延伸，或者也可存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件之上”或“直接在另一元件之上”延伸时，则不存在中间元件。还应理解，当元件被称为“连接”或“联接”至另一元件时，其可直接连接或联接至另一元件，或者可存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”至另一元件时，则不存在中间元件。

如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相对术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。将理解，这些术语和上文所论述的那些术语意图涵盖装置的除图中所述的取向之外的不同取向。

本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并且不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一个/种(a/an)”和“所述(the)”也意图包括复数形式。应进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括(comprise)”、“包含(comprising)”、“包括(include)”和/或“包含(including)”指示所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的群组的存在或添加。

除非另外定义，否则本文中所用的所有术语(包括技术和科学术语)均具有如本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。应进一步理解的是，本文中使用的术语应解释为具有与它们在本说明书上下文和相关领域中的含义一致的含义，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非在本文中已明确定义。

形成剪切剥离型2D层状材料的方法

本公开涉及一种用于通过可压缩气体的高压流的压缩和膨胀来剥离各种2D材料的简单且连续的方法。与用于剥离2D层状材料的其他方法(如化学插层或超声处理)不同，本公开的方法仅依赖于高压气体流的物理压缩和膨胀，从而减少所述2D层状材料上的缺陷。通过使用惰性或良性气体如氮气、氦气或压缩空气，这种方法可作为环境友好的方法使用。

此外，与其他分批方法不同，本文教导的方法依赖于载气和2D层状材料的混合物的连续进料，从而实现适合于大规模制造的连续方法。控制单层2D材料的剥离(产率和效率)的关键参数是载气流剪切、流压缩和膨胀以及流压力冲击波，所述参数可通过使材料流动通过敛散通道轮廓和/或窄孔口或管而容易地实现。这些轮廓以及流压缩和膨胀在可压缩气体流中是常见的，并且可通过诸如德拉瓦尔喷嘴、孔口、流体喷射器、恒定面积管道或涡轮机中的压缩机叶片的装置或通过诸如部分或完全打开阀和其他配件的方法来有意地控制。各种各样的气体如二氧化碳、氮气、氦气、氩气和压缩空气可用于有效地剥离2D层状材料。本发明方法提供了用于连续大量产生剥离型2D层状材料的改进的方法。

2D材料的制备可通过自下而上或自上而下方法进行分类。自下而上方法由将各种化学前体或源沉积到基底上来构建2D材料。这种方法中的常用方法包括化学气相沉积和物理气相沉积。纳米材料厚度、组成和结构均匀性易于控制，并且合成的材料具有高品质，从而使得这些方法适用于生产高灵敏度电子装置。然而，自下而上方法的主要限制是基底干扰效应和有限的方法可扩展性，这是由于材料产量低和真空环境中的高操作成本。

相比之下，自上而下方法将块体2D材料分离或剥离成一个或多个层。这种方法能够实现更高的通量并因此具有可扩展性，并且可通过诸如离子嵌入、液相剥离、微机械分裂离(即，玻璃纸带方法)的方法和常用的基于氧化还原的Hummer方法来进行，所述Hummer方法通常用于由氧化石墨的还原大规模生产石墨烯。

基于超声处理的液相剥离技术在液体中使用湍流以产生高剪切速率，这有助于层分离。此类剪切速率可在混合器和掺混器中容易地实现，其中转子-定子间隙是约100微米(μm)。在具有高剪切速率(～10⁸s^-1)的湍流条件下的微流化导致100％剥离，而无需通过离心尺寸分离。微流化包括使用高压(高达200兆帕[MPa])来使表面活性剂稳定的石墨液体悬浮液穿过小孔口(100μm)，重复循环达100次循环。所述方法的优点是高产率，并且缺乏对尺寸分离的要求可通过基于时间的处理、表面性质改性表面活性剂的使用和最终产品的广泛多分散性来抵消。

顾名思义，2D层状纳米材料合成的自上而下方法需要使用高压气体，包括超临界流体，以帮助分离各层。迄今为止，大多数气相剥离研究使用超临界二氧化碳(sCO₂)作为气态介质。由于sCO₂表现出低表面张力和高密度，因此它可用于扩散2D层状材料。

在高压下，存在足够的驱动力用于在2D块体晶体层之间扩散气体分子。在一些实施方案中，通过增加系统的温度，可使扩散时间缩短至几分钟。在扩散时间和温度的适当处理后，压力迅速释放以使层之间的气体分子膨胀并分离由高压差驱动的层。许多凝胶聚合物电解质方法需要大量处理作为气体插层并且需要一定的最短时间来完成。在一些方法中，一旦气体扩散完成，就需要以机械搅拌/剪切、超声或表面活性剂吸收的形式的一些基于时间的刺激来扰乱层状晶体。

本文提供了用于形成通过由于可压缩气体的超音速流所致的剪切引起的剥离型2D材料的连续高通量生产方法。在本文提供的方法中，使用高压气体快速迫使一定量的2D层状材料通过小孔口，而不需要任何基于时间的处理。基于剪切的剥离由于在小孔口中实现膨胀和加速气体的高速度以及细孔口中的壁摩擦效应而发生，并且产生2D层状颗粒所经历的高剪切速率通过应用这种方法来剥离不同的2D层状材料(石墨烯、MoS₂和氮化硼)并证明本文提供的方法是有用的(无论使用何种载体流体)来证明了本文方法的通用性。

本公开涉及通过可压缩高压流体的压缩和膨胀连续地剥离各种二维(2D)层状材料的简单方法。任何2D层状材料(其特征在于c轴上的弱非共价键)可通过这种方法剥离成单层和少层片材料。在这种方法中可使用高压下的任何可压缩流体。已经成功地证明了几种2D层状材料的剥离，包括对于二硫化钼(MoS₂)、氮化硼(BN)和石墨使用各种高压流体如氦气、氮气、超临界二氧化碳和压缩空气。

在本文所述的实施方案中，根据图2，使用高压气体快速迫使任何量的2D层状材料通过小孔口，而无需任何基于时间的处理，如在剥离前允许2D层状材料通过高压气体嵌入，不像其他基于剪切的方法和气体方法。特别地，使2D层状材料和可压缩流体的混合物的连续流穿过敛散喷嘴以在可压缩流体嵌入2D层状材料之前剥离2D层状材料。在本公开的实施方案的操作期间，在没有嵌入2D层状材料的情况下将发生2D层状材料的剥离。

连续流剥离(CFE)方法涉及悬浮在气体中的块体2D层状材料，所述气体穿过流压缩通道(例如，小孔口、收敛通道或细管)且然后允许膨胀到环境条件中。在至少一个示例性实施方案中，将2D层状材料连续进料到连续气流中。流速和膨胀压力可通过出口通道的适当设计来控制，如精心设计的敛散(德拉瓦尔)喷嘴或孔口。在此过程中，气态介质达到超音速(1马赫或更高)的速度，所述速度对于产生用于2D颗粒剥离的高剪切速率环境是必需的。

在一个实验中，将0.1克(g)2D层状材料置于50毫升(mL)高压容器中并密封。然后将压力在200至2000磅/平方英寸(psi)范围内的高压流体释放到容器中，并且使流体和2D材料的混合物流动通过被构造成使所述流体压缩和膨胀的通道。在一个实施方案中，压缩产生可压缩流体的2D材料混合物的连续流，并且所述2D层状材料处于200psi与1100psi之间的压力下。在另一个实施方案中，压缩产生可压缩流体的2D材料混合物的连续流，并且所述2D层状材料处于1100psi与2000psi之间的压力下。可适当地设计具有此类特征的通道，如在敛散喷嘴(扩散器)或德拉瓦尔喷嘴的情况下；或者可引入各种流体力学设备，如流体注射器、阀、压缩机叶片以及提供这些特特征的其他配件。当可压缩流体流动通过敛散通道时，流动压力开始下降，并且所述流的速度增加，其对于亚音速流(马赫数<1)是通道的最窄部分(喉道)处的最大值。然而，如果上游侧与下游侧之间的压力差大于临界值，则喉道处的流速达到所述马赫数(超音速流)，并且所述流说成被阻塞。在这些阻流条件下，流体的速度非常高，从而提供足够的能量来将2D层状材料的单层剪切成彼此间隔开。此外，由于低压，在通道的扩散区段中发生显著流膨胀，这有助于单层2D层状材料的分离。甚至更进一步，在通道的扩散区段中可发生冲击波(表示为压力的突然变化)，这有助于单层2D层状材料的分离。在穿过敛散轮廓之后，使用适当的溶剂以干燥状态或湿态收集含有分离的2D层状材料的流。

图1示出当穿过敛散通道时2D层状材料的剥离。用于剥离颗粒的三种机制是如下：(1)由于由湍流(雷诺应力)和壁摩擦引起的速度梯度所致的流体层之间的剪切，(2)在超音速流期间，引起通道的扩散和出口部分内的气体快速膨胀的低压区，以及(3)在超音速流期间由通道的扩散和出口部分内的冲击波引起的压力的突然变化。

在排气过程中的控制因素是在流入口与出口之间实现非常高的压力差，以便允许2D层状材料非常快速地流动并且随着所述流收敛和扩散而变得剪切或膨胀，如图1中所示。排气过程的另一种影响因素是流收缩喷嘴或通道轮廓的设计。提取的材料可按原样在干燥状态下使用，或者可将所述材料提取到任何适当的溶剂上，从而形成稳定的胶态溶液。可将处于湿态的提取物离心以使单层或少层2D材料与块体非剥离产品分离。

图4示出用于通过高压流压缩和膨胀来剥离2D层状材料的设置。图5示出容器和阀设备的充当用于流压缩和膨胀的敛散喷嘴的内部机构。

图16A示出通过高压流体流处理的BN的胶态分散体。图16B示出BN在各种乙醇对照中的胶态分散体。通过观察廷德尔效应来确认2D材料的单层或多层堆叠，所述效应是基于颗粒对光的散射。按顺序从左至右由所述流处理的图16A的BN样品是(i)纯乙醇；(ii)氦气(He)处理，2000psi储器压力，0.1毫米(mm)环形孔口间隙；(iii)He处理，2000psi储器压力，0.5mm环形孔口间隙，以及(iv)He处理，2000psi储器压力，6.4mm通道直径管。按顺序从左至右通过不同竞争方法处理的图16B的对照样品是(i)纯乙醇，(ii)在He处理过夜后的乙醇中的BN，2000psi，没有任何流动(即，非常缓慢的减压)，(iii)乙醇中的BN，搅拌3小时，以及(iv)乙醇中的BN，超声处理3小时。

图17A至17C分别示出包括BN、石墨烯和MoS₂的剥离型2D层状纳米材料的示例性浓缩溶液的图像。使用CFE技术、随后离心分离产生氮化硼、石墨烯和MoS₂。观察到由于悬浮液中的纳米颗粒所致的显著光散射(廷德尔效应)。

在一些实施方案中，所述CFE方法包括悬浮在气体中的块体2D层状材料，所述气体穿过流压缩通道(例如，小孔口、收敛通道或细管)且然后允许膨胀到环境条件中。流速和膨胀压力可通过出口通道的适当设计来控制，如精心设计的敛散(德拉瓦尔)喷嘴。在此过程中，气态介质达到超音速(1马赫或更高)的速度，所述速度对于产生用于2D颗粒剥离的高剪切速率环境是必需的。在典型的CFE实验中，将0.1至0.5g的2D层状材料装入50mL高压容器中并密封。然后将上游(停滞)压力在1.4兆帕(MPa)至14MPa(200-2000psi)范围内的高压流体释放到容器中，并且使载体流体和2D材料的混合物流动通过能够使气体压缩和膨胀(加速)的窄通道或孔口。部分打开的世伟洛克(Swagelok)针形阀(SS-1KS4，Swagelok Corp.)可用作具有可调节喉道距离的环形敛散喷嘴。当部分打开(0.25圈)时，阀具有0.1mm的环形孔口间隙，其足以用于从参数研究剥离。

在一些实施方案中，在穿过通道后，将多相射流排放到含有50-100mL适当溶剂的大型收集瓶或烧瓶中。根据先前的研究和经验，适当的溶剂对于BN是异丙醇并且对于石墨和MoS₂是N-甲基-2-吡咯烷酮。整个过程仅持续约2秒并且如果不担忧消耗气体或蒸发溶剂，则可延长更长时间(例如，用于连续操作)。喷嘴相对于收集容器的取向对于最大化保持率和产率是至关重要的，其中最佳配置是与容器壁相切的气旋流(根据图6)。

在一些实施方案中，然后将含有2D层状材料的喷雾溶液以1400rpm的高速离心(90分钟，以使块体和多层2D材料与单层到少层2D纳米材料(上清液)分离，其是自上而下2D材料研究中常用的方案。

在一个实验中，在有和没有超声辅助的情况下，通过液相剥离制备单层到少层2D材料的等效分散体。在一些实施方案中，将0.1g的块体2D材料与100mL适当的溶剂混合并在浴中超声处理3小时。液相剥离悬浮液的所有其他处理(包括离心)可通过与连续流剥离悬浮液完全相同的方式进行。

表征剪切剥离型2D层状材料的方法

在实验中，根据图18，将0.1至0.5g的2D层状材料装入50mL高压容器中并密封。上游(停滞)压力在1.4MPa至14MPa范围内的高压流体表现出两个特征峰；G峰出现在1580cm^-1处，其是主要的平面内振动模式(E_2g)，并且2D峰出现在2690cm^-1处。块体石墨和单层石墨烯的拉曼光谱之间存在若干差异，其中最显著的是(i)与G峰相比时，2D峰的强度增加(倍增)，(ii)2D峰的红移，(iii)2D峰的对称排序和(iv)2D峰的全宽半最大宽度的减小。尽管所有这些条件对于确定单层石墨烯的存在是必要的，但是当分析少层石墨烯或扫描具有不同层厚度的石墨烯分布时，它们可能不会全部存在。CFE和液相剥离(LPE)处理的样品的拉曼光谱与块体石墨的光谱的比较指示两个主要差异：～22cm^-1的显著红移和2D峰的对称增加。窄对称峰通常是单层石墨烯所独有的；然而，宽对称峰表明由于重新堆叠或折叠片材而可能发生AB-堆叠无序(乱层石墨烯)。总之，来自拉曼光谱的这两个观察结果至少表明，在通过连续CFE方法和分批LPE方法处理之后，来自块体石墨粉末的层数厚度减少。

参考波长下的吸收和悬浮液的浓度通过比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律计算，

A/l＝αC，

其表明介质中在一定距离l内的光吸收A与吸收颗粒的浓度C成正比。比例项是消光系数α，其特异于特定的2D层状材料、溶剂和波长。分散体的条件模拟了参考条件，并且因此文献中可用的波长特异性消光系数可用于通过紫外-可见分光光度法(UV-vis)进行浓度分析。此外，精确浓度使用重量方法进行测量，并且与使用UV-vis光散射发现的浓度非常一致(平均误差≤5％)。在相同条件下，本文提供的CFE方法对于BN、石墨烯和MoS₂分别实现0.075、0.028和0.026mg/mL的浓度。对于BN、石墨烯和MoS₂，这些值分别与使用0.004、0.020和0.008mg/mL的液相剥离获得的对照值相当或更好。

通过对滴铸2D层薄片的拉曼光谱分析，在CFE处理和离心分离后最终产品的少层性质是明显的。图10B示出BN的相关带宽中的拉曼发射强度光谱，而图10E示出石墨烯和MoS₂的光谱。所有三种2D层状材料的光谱发射的比较表明，与文献中可获得的参考信息相比，层数减少。BN的块体形式表现出由在1366cm^-1处的一个显著E_2g声子模式发射峰组成的光谱。随着层数减少为双层或少层，所述发射峰经历逐渐红移至1362-1364cm^-1的波数。最后，当获得单层BN时，其发射峰显著蓝移至1369cm^-1，这与其块体发射光谱非常不同。对于使用CFE处理的BN，根据图10D所获得的拉曼光谱的检查表明峰显著红移至1362cm^-1，从而表明在处理之后少层和双层BN的显著存在。相比之下，LPE处理的对照未表现出显著峰值位移，从而表明结构仍然由几个类似于块体BN的层组成。

根据图10E，在波数1500-3000cm^-1之间的块体石墨的拉曼光谱表现出两个特征峰：G峰出现在1580cm^-1处，其是主要的平面内振动模式(E_2g)，并且2D峰出现在2690cm^-1处。块体石墨和单层石墨烯的拉曼光谱之间存在若干差异，其中最显著的是(i)与G峰相比，2D峰的强度增加(倍增)，(ii)2D峰的红移，(iii)2D峰的对称排序和(iv)2D峰的全宽半最大宽度的减小。尽管所有这些条件对于确定单层石墨烯的存在是必要的，但是当分析少层石墨烯或扫描具有不同层厚度的石墨烯分布时，它们可能不会全部存在。CFE和LPE处理的样品的拉曼光谱与块体石墨的光谱的比较指示两个主要差异：～22cm^-1的显著红移和2D峰的对称增加。应该提及的是，窄对称峰是单层石墨烯所独有的；然而，宽对称峰的在此观察结果表明由于重新堆叠或折叠片材而可能发生AB-堆叠无序(乱层石墨烯)。总之，来自拉曼光谱的这两个观察结果至少表明，在通过连续CFE方法和分批LPE方法处理之后，来自块体石墨粉末的层数厚度减少。

CFE和LPE处理之前和之后的块体MoS₂的光谱示于图10F中。块体MoS₂表现出两个强一阶峰：E¹ _2g和A_1g，其相对位置与存在的层数强烈相关。对于633纳米(nm)激发源，两个一阶峰之间的峰与峰波数距离是大约26cm^-1。在随后剥离成少层和单层MoS₂后，峰与峰距离逐渐减少至小至19cm^-1。在此研究中使用CFE处理的MoS₂具有22.8cm^-1的E¹ _2g和A_1g峰与峰距离，其与3-4层的颗粒厚度对应。使用LPE技术处理的MoS₂也经历层厚度减小，尽管效果较弱，如由24.0cm^-1的峰与峰分离所指示，其对应于4或更大的层厚度。

BN纳米颗粒的结构在CFE处理后通过原子力显微镜进行表征，并且代表性的薄片在图13A中示出。示例性薄片具有的2nm厚度、350nm的宽度，从而得到175的纵横比。在0.335nm的层间距下，2nm的厚度对应于分离的6层BN。当进行CFE方法时，另外的BN颗粒的进一步原子力显微镜表征揭示根据图13A的颗粒厚度分布和根据图12D中的长度。通常，CFE中较高的驱动压力产生更好的薄片质量。例如，根据图12A和12B，使用5.5MPa的He气体产生的BN具有5.7nm的平均薄片厚度和160nm的长度，从而给出28的纵横比；而根据图12C和12D，在10MPa的压力下，薄片厚度和长度是4.2nm和276nm，对应于66的纵横比。此外，在5.5MPa下处理的大约27％的薄片具有小于3.35nm的厚度(对应于10层或更少)，并且这一比例在10MPa的较高压力下增加至43％。

当通过透射电子显微镜(TEM)观察时，CFE处理的BN、石墨和MoS₂的结构在图13B至13D中示出。这些颗粒的尺寸通常在100nm至800nm的范围内，从而表明与BN的13微米以及石墨和MoS₂的1μm的起始颗粒尺寸相比，颗粒尺寸减小。这些颗粒足够薄，如它们的电子透明度所指示。此外，一些薄片似乎是单晶，而其他薄片基于它们的电子衍射图案呈现多晶(图13B至13D，插图)。根据图14A至14C，多晶性指示基面重新排列(乱层性)，并且提供了在BN的TEM期间偶尔观察到的莫尔图案的进一步证据。在从悬浮液或在剪切处理期间从单独平面的机械折叠和位移干燥时，在重新堆叠平面期间观察到类似的莫尔成像投影。图15A至15F中提供了CFE处理的2D纳米材料的其他TEM图像，以及它们的LPE对应物。两种方法之间的形状和表面拓扑特征的清楚差异是明显的，如与根据图15D的LPE处理的BN(其包括更圆的边缘)相比，根据图15A，CFE处理的BN中的更直边缘。更直的边缘由片材折叠或保留的晶体边缘有序性产生，两者都指示晶体缺陷减少。边缘缺陷可能对2D层状材料的热和电特性有害，因为它们促成电荷载子和声子散射。除了减少的边缘缺陷之外，与LPE处理的颗粒相比，CFE处理的2D层状材料含有更少的残余颗粒，这可归因于在LPE处理中在超声处理延长的时间期间经历的更苛刻的条件。已知超声处理长时间(数小时、数天)导致许多纳米材料(包括碳纳米管和2D层状材料，如石墨、BN、MoS₂)的结构损坏，包括颗粒尺寸减小。根据图15D和15F，在使用LPE处理的BN和MoS₂颗粒中残留颗粒非常突出，而根据图15A和15C，它们的CFE等效物实际上没有任何小规模残留物。

迄今为止所呈现的材料表征结果表明，就2D纳米材料浓度、层厚度和结构缺陷而言，CFE等于或优于LPE的可比较的自上而下技术。关于处理，CFE优于LPE的优点包括快速/高通量处理、方法的连续性质以及使用环境友好的气体而不是处理LPE中的潜在有害溶剂。与基于超声和剪切的LPE方法中的基于时间的处理相比，CFE方法通过细喷嘴/孔口以2D层状材料的快速单次通过进行。最近，在高压下通过细孔口迫使表面活性剂悬浮的石墨在不可压缩液体中的微流化技术显示出在产生2D石墨纳米片方面是有效的。所述方法需要增压泵和多次穿过孔口以实现100％产率。虽然不需要后处理离心，但所述技术仍然是时间依赖性的，并且需要使用对2D材料的界面性质有害的表面活性剂。与几种现有的自上而下方法类似，CFE和微流化两者均依赖于在颗粒上施加剪切力以引起层分离，但据所知，CFE是利用高压压缩气体中储存的势能来实现接近音速和超音速速度的唯一方法，所述接近音速和超音速速度产生层分离所需的剪切，同时利用气相在所述方法期间悬浮剥离的颗粒。

根据图11A至11D，量化各种方法参数的影响，如上游气体压力、起始BN量、处理时间、气体类型和流动几何特性。使用在四分之一圈部分打开的世伟洛克针形阀进行初始实验，以产生约0.1mm的环形间隙以及恰好在所述间隙之前的收敛部分和紧接在所述间隙之后的扩散部分，根据图3A至3C和图5。还对其他阀设置进行了实验，其中较大的开口由于剪切力不足而提供较低的方法产率，而较小的开口导致阀堵塞并完全限制流动。还进行了流动通过具有不同内径(1.3、2.1、3.1、3.8和4.6mm)的恒定面积不锈钢通道(30cm长度)的实验，以阐明剪切在CFE处理过程中的作用。起始2D材料粉末量对所得最终浓度的影响在图11A中示出。初始浓度被定义为进料到气流中的BN粉末的量除以其喷射到其中的液体溶剂的体积。最终浓度是基于离心和干燥后的重量测量。无论流动几何特性(阀或管道)如何，初始浓度的增加都导致在仅2秒的方法运行时间后最终浓度同时升高。然而，这种效应受限于较高的BN负载量，特别是对于阀，其中由于高度堆积的BN粉末的堵塞而限制流动。图11A中的最终浓度和初始浓度之间的比率可解释为所述过程的产率，对于CFE，产率在5％与10％之间。如果不比大多数液相方法更好，则此产率是相当的。然而，就上下文而言，如果这一过程连续进行，则通过材料回收和再循环可进一步提高产率。

停滞的上游压力对最终浓度的影响在图11B中详述。在这种停滞的上游压力下，通过细孔口的压缩气体的膨胀是剪切悬浮的2D层状材料所需的高速度的原因。图11B示出对于针形阀(其为变化的几何构型)和对于具有恒定截面的直管的这种效应。在低至1.4MPa(200psi)的压力下可获得0.04mg/mL的浓度，这在许多消费级空气压缩机的操作压力内。当BN粉末原料被迫通过阀时，增加压力并产生更高的BN纳米材料最终浓度，从而表明所述过程中的产率逐渐提高。在所测试的最大压力(11MPa)下实现0.2mg/mL的最大浓度。相比之下，当迫使通过直管时，最终浓度最初升高且然后对于5.5MPa或更高压力稳定在0.11mg/mL。对于所有直管构型，观察到在高压下的这种稳定行为，尽管最终浓度不同。

在图11C中示出在5.5MPa下变化的内径对直管流动构型的最终浓度的影响。随着管直径的增加，最终浓度迅速增加，在2.1mm的直径下在0.11mg/mL下达到峰值，随后逐渐下降。还测试了0.5mm和0.1mm的较小管直径，但是它们在所测试的压力下显著阻碍流动。

在CFE中使用的各种气体的影响总结在图11D中。测试了通过阀和直管构型在5.5MPa的共同压力下的氦气、氮气和二氧化碳。与使用氮气(0.03mg/mL)和二氧化碳(0.03mg/mL)作为载气相比，使用流动通过阀的氦气，最终浓度明显更好(0.15mg/mL)。对于直管构型观察到类似的趋势。其他载气如氩气(一种较重的单原子气体)和压缩空气(一种气态混合物)具有与氮气的那些的结果，并且显著低于使用氦气获得的结果。

在一定的压差范围内，穿过敛散通道的可压缩流体实现由以下基于质量和动量守恒的微分关系控制的超音速：

其中dV/V是流体瞬时速度(V)的相对变化，dA/A是流动通道瞬时面积的相对变化，并且M是流体的马赫数(其被定义为其相对于声速的速度的速度V，V_s)。具体地，通道的最窄“喉道”部分中的平均流速(dA/A＝0)等于所述流体中的声速。取决于通道出口(扩散部分)的设计，它可在离开喉道后达到更高的速度(超音速)。速度的这种增加伴随着敛散喷嘴的扩散部分中的快速压降(流膨胀)。使用这种超音速可压缩流的简单图片和计算流体动力学的辅助，详细检查了通过部分打开的针形阀的流的几何特异性性质以及负责所观察到的2D材料剥离的机制。计算流体动力学模拟在COMSOL Multiphysics v5.3(高马赫数-流体物理模型)中进行，其中按照供应商的针形阀的尺寸比例，使用CAD软件，按照图3A至3C和图5建模2D几何性状。流动模拟的典型结果在图7A、7B、8A至8D、9A和9B中示出，其描述流动通过部分打开的针形阀(0.1mm间隙)的5.5MPa下的氦气的典型情况。其他压力下的流动模拟在图7A和7B中详述。根据图7A，速度表面图表明阀充当能够在目标压力范围内实现超音速流动的可调节的敛散喷嘴。在室温下氦气中的声速是大约1000米/秒(m/s)，其表明发生良好确立的湍流。除了壁摩擦之外，由于通过涡流的随机产生的能量耗散，湍流中经历的高剪切速率的进一步贡献来自局部速度分布的突然、不稳定的变化。根据图9B，在短跨度内速度的这些变化也可产生在流动剖面的中心线中经历的高剪切速率。在直管实验中，通道宽度等于管的内径，并且在赋予2D层状材料剪切和随后的最终浓度方面具有两部分效应。从图11C中可明显看出，使管直径从4.6mm的起始值减小倾向于提高最终浓度并因此提高CFE方法的总产率。这种效应可就剪切速率而言进行解释，其中在相同速度下减小的管直径赋予流动更大的剪切速率，因为相对于总流动截面的壁部分增加(高剪切速率区域)。使管直径从4.6mm几乎减半至2.1mm具有使浓度增加至0.11mg/mL的效应——提高5.4倍。然而，使管直径进一步减小至1.3mm具有使浓度严重降低至0.045mg/mL的意想不到的效应。在此直径下，所述流未达到根据Fanno流的阻塞状态，并且可听见地清楚，出口流速明显小于1马赫。摩擦效应倾向于在较小的管直径处占主导地位，从而导致流速大大降低并因此导致剪切速率降低。例如，根据Moody-Colebrook关系，对于以1马赫流动的氦气，将管直径从2.1mm变为1.3mm，摩擦系数从0.028增加至0.035。此外，减小的直径可降低流动的湍流性质。

图11D中总结了CFE处理中载气变化的影响，其表明在直管(Fanno流)和阀(敛散喷嘴等熵流)构型两者中通过氦气获得的最终浓度比使用氮气和二氧化碳的浓度几乎高5倍。在293K下，氦气的声速是大约1000m/s，而对于氮气和二氧化碳，速度分别显著低于350m/s和270m/s。如果对于这些气体实现阻流(1马赫)，则较轻且较快的气体氦气赋予比其他较重气体足够更高的剪切速率。氢气充当剥离2D层状材料的更好介质，因为它是比氦气更轻的气体，从而具有更高的声速(1270m/s)且更丰富并且更具成本效益。

对代表图11B中的阀实验但在各种压力下的其他条件进行模拟以提供对通过细孔口的超音速流中产生的剪切速率的了解；这些结果在图8A至8D和9A中呈现。可看出，阀中的剪切速率分布随着压力在最终饱和之前从1.4增加至2.8和5.5MPa而进展。在低压下，高剪切区域仅存在于阀内的敛散喷嘴的扩散部分中的壁附近。当驱动流动的上游压力倍增至2.8MPa时，在整个敛散喷嘴中经历10⁵s^-1或更高的剪切速率。根据图8C，将压力进一步倍增至5.5MPa导致若干完全饱和的高剪切区的面积增加。压力的任何进一步增加都不会显著改变阀内高剪切区的分布和大小。根据图11B，如通过模拟预测的剪切区的演变与实验方式观察到的最终浓度对上游压力的依赖性直接相关。当压力从1.4MPa增加至5.5MPa时，最终浓度从0.04mg/mL超过三倍至0.15mg/mL，之后它在11MPa下缓慢增加至0.2mg/mL。

重要的是指出超音速流和变化区域轮廓不是CFE中的必然要求。相反，与总流速和流动通道宽度相关的剪切速率具有相当重要性。使用气体剪切2D层状材料的优点是其固有的可压缩性，其可用于在短距离内从高速加速和减速，从而赋予包括2D材料的任何悬浮固体高剪切速率。可能这种效应的最直接证明是图11B和11C的直管实验结果。这些实验中的流动轮廓在Fanno流的考虑范围内，其描述了具有已知摩擦系数的恒定面积管道内的可压缩气体的绝热膨胀。对于相当长的管道，流动期间的气体膨胀引起质量流速的最大值，并且在流速达到声速(1马赫)的地方存在阻流的状态。一旦达到阻流，上游压力不进一步增加导致更快的速度。对Fanno流的这种理解与使用图11B中的直管观察到的最终浓度以及它们如何在5.5MPa和更高的压力下变得不变良好相关。尽管压力加倍，但在这些直管中无法获得比声速更快的速度，并且因此多相流所经历的最大剪切速率和剪切速率分布保持不变。

除速度外，所述流所经历的剪切速率取决于通道宽度考虑因素。假设在墙处的摩擦效应(无滑移条件)，剪切速率应该在壁处最高并且在流的中心处较低。使这一简单的解释复杂化是考虑湍流，如在此的情况下，其中不存在速度和剪切速率分布的解析表达式。雷诺数Re＝VD/ν—基于流体的速度v、通道直径D和流体的运动粘度ν来表征层流-湍流分类—对于通过2.1mm通道的在1马赫下的氦气的情况为18000，其远高于湍流-层流边界(Re＝2300)。除了壁摩擦之外，由于通过涡流的随机产生的能量耗散，湍流中经历的高剪切速率的进一步贡献来自局部速度分布的突然、不稳定的变化。根据图9B，在短跨度内速度的这些变化也产生在流动剖面的中心线中经历的高剪切速率。在直管实验中，通道宽度等于管的内径，并且在赋予2D层状材料剪切和随后的最终浓度方面具有两部分效应。从图11C中可明显看出，使管直径从4.6mm的起始值减小倾向于提高最终浓度并因此提高CFE方法的总产率。这种效应可就剪切速率而言进行解释，其中在相同速度下减小的管直径赋予流动更大的剪切速率，因为相对于总流动截面的壁部分增加(高剪切速率区域)。使管直径从4.6mm几乎减半至2.1mm具有使浓度增加至0.11mg/mL的效应-提高5.4倍。然而，使管直径进一步减小至1.3mm具有使浓度严重降低至0.045mg/mL的意想不到的效应。在此直径下，所述流未达到根据Fanno流的阻塞状态，并且可听见地清楚，出口流速明显小于1马赫。摩擦效应倾向于在较小的管直径处占主导地位，从而导致流速大大降低并因此导致剪切速率降低。例如，根据Moody-Colebrook关系，对于以1马赫流动的氦气，将管直径从2.1mm变为1.3mm，摩擦系数从0.028增加至0.035。此外，减小的直径使Re从18000降低至11000，从而降低流的湍流性质。

CFE和LPE处理之前和之后的块体MoS₂的光谱示于图10F中。块体MoS₂表现出两个强烈的一阶峰E_12g和A_1g，其相对位置与存在的层数强烈相关。对于633nm激发源，两个一阶峰之间的峰与峰波数距离是大约26cm¹。在随后剥离成少层和单层MoS₂后，峰与峰距离逐渐减少至小至19cm^-1。在此研究中使用CFE处理的MoS₂具有22.8cm^-1的E_12g和A_1g峰与峰距离，其根据MoS₂拉曼标记的详细描述与3-4层的颗粒厚度对应。使用LPE技术处理的MoS₂也经历层厚度减小，尽管效果较弱，如由24.0cm^-1的峰与峰分离所指示，其对应于4或更多个层的层厚度。

本文提供的CFE方法可有效地产生各种2D层状材料的非常细的胶态悬浮液。对于2D层状材料BN、石墨和MoS₂，在离心后一些取样喷雾分散体在图17C中示出。使用其中14MPa的氦气作为流动通过0.1mm环形孔口(世伟洛克阀)的载气的CFE处理所有溶液，尽管其他流动几何特性、气体和压力条件是可能的并且随后详述。CFE方法能够在离心过程后获得高浓度的胶态2D层状颗粒，如通过溶液中的广泛激光(廷德尔)散射所指示。BN、石墨和MoS₂的UV-Vis光散射分布分别在图10A、10B和10C中示出，从而表明与等效的LPE对照方法相比，通过CFE方法产生的悬浮液能够在宽波长范围内吸收显著更多的光。值得注意的是，在此报告了两种技术CFE和LPE的结果，而不使用表面活性剂或其他表面能改性化学物质，这可能产生更高的浓度，但代价是使2D材料界面性质劣化。

使用三种类型的2D层状材料来研究CFE方法。第一种是天然石墨薄片，一种由Sigma Aldrich(Milwaukee,Wis.)提供的导电层状材料，其具有1-2μm的报告粉末尺寸。第二，MoS₂，一种购自Alfa Aesar(Milwaukee,Wis.)的具有拓扑绝缘特性的过渡金属二硫属化物，其具有1μm的报告粉末尺寸。最后，六角形BN(一种绝缘层状化合物)由Momentive(Waterford,NY)提供，其具有13μm的报告尺寸。

术语和定义

出于本公开的目的，2D层状材料被定义为特征在于c轴中的弱非共价键的材料。

出于本公开的目的，敛散喷嘴是包括入口和出口的管，所述管在中间收缩以形成喉道，从而形成精心平衡的不对称沙漏形状。它通过将流的热能转化为动能来用于使穿过它的热的加压气体在轴向(推力)方向上加速至更高的超音速。

出于本公开的目的，离心包括使物体围绕固定轴旋转(使其以圆形旋转)，从而施加垂直于旋转轴(向外)的潜在强力，其可用于过滤流体。

如本文所用并且除非另外定义，否则术语“约”是指在指定值的加和/或减10％内的值范围。

如本文所用并且除非另外定义，否则术语“细管”是指能够在高于2300的雷诺数下实现层状材料和可压缩流体的湍流的管。

替代实施方案

本文提供的实施方案是一种用于连续产生剥离型二维(2D)材料的方法，所述方法包括提供2D材料混合物，其包括使2D层状材料和可压缩流体通过；压缩所述2D材料混合物的连续流；以及使所述2D混合物的连续流膨胀以通过敛散喷嘴剥离所述2D层状材料。

在一些实施方案中，所述方法产生在200磅/平方英寸(psi)与2000psi之间的压力下的2D材料混合物的连续流。在一些实施方案中，压缩产生在200psi与1100psi之间的压力下的2D材料混合物的连续流。在一些实施方案中，压缩产生在1100psi与2000psi之间的压力下的2D材料混合物的连续流。在一些实施方案中，膨胀产生达到超音速的2D材料混合物的连续流。在一些实施方案中，使所述2D材料的连续流动穿过敛散通道。在用于连续产生剥离型2D材料的方法中，所述2D材料的连续流在所述敛散通道的收敛部分内通过时以亚音速流动，并且在所述敛散通道的扩散部分内通过时以超音速流动。在用于连续产生剥离型2D材料的方法中，所述2D层状材料在所述敛散通道的喉道内剥离。在用于连续产生剥离型2D材料的方法中，所述敛散通道是德拉瓦尔喷嘴。在一些实施方案中，所述2D层状材料是石墨。在用于连续产生剥离型2D材料的方法中，所述剥离型2D材料是石墨烯。在一些实施方案中，所述2D层状材料是氮化硼。在用于连续产生剥离型2D材料的方法中，所述剥离型2D材料是单层氮化硼。在一些实施方案中，所述2D层状材料是二硫化钼(MoS₂)。在用于连续产生剥离型2D材料的方法中，所述剥离型2D材料是单层MoS₂。在一些实施方案中，所述2D层状材料的特征在于c轴中的弱非共价键。在一些实施方案中，所述可压缩流体是空气。在一些实施方案中，所述可压缩流体是氮气。在一些实施方案中，所述可压缩流体是二氧化碳。在一些实施方案中，所述可压缩流体是氦气。在一些实施方案中，所述方法还包括将剥离型2D材料收集在溶剂中。

Claims

1.一种用于连续产生剥离型二维(2D)材料的方法，所述方法包括

·提供2D层状材料；

·提供可压缩流体；

·使所述2D层状材料与所述可压缩流体混合，从而形成2D材料混合物；以及

·使所述2D材料混合物穿过敛散喷嘴以在所述可压缩流体嵌入所述2D层状材料之前剥离所述2D层状材料。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述2D层状材料包括石墨、石墨烯、氮化硼(BN)、单层BN、二硫化钼(MoS₂)、单层MoS₂或其任何组合。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述可压缩流体包括空气、氮气、二氧化碳、氦气或其任何组合。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述2D材料混合物中的所述2D层状材料的浓度是约0.01毫克/毫升(mg/mL)至约0.4mg/mL。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述敛散喷嘴包括德拉瓦尔喷嘴、阀、孔口、细管或其任何组合。

6.如权利要求5所述的方法，其中阀包括针形阀、蝶形阀、球形阀、夹管阀、可调节流量阀、单向流量阀或其任何组合。

7.如权利要求1所述的方法，其中使所述2D材料混合物穿过所述敛散喷嘴包括向所述2D材料混合物施加约200磅/平方英寸(psi)至约4000psi的压力。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述2D材料混合物以小于所述可压缩流体中的声速的速度进入所述敛散喷嘴。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述2D材料混合物以大于所述可压缩流体中的声速的速度离开所述敛散喷嘴。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述敛散喷嘴具有约0.005毫米(mm)至约0.5mm的喉道尺寸。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述敛散喷嘴具有约3mm至约10mm的入口或出口尺寸。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述敛散喷嘴具有约15厘米(cm)至约60cm的长度。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述敛散喷嘴的喉道与入口尺寸比和喉道与出口尺寸比中的至少一个为约15至约60。

14.如权利要求1所述的方法，其中产生所述剥离型2D材料的所述2D层状材料的百分比是约50％至约100％。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述剥离型2D材料包括多个纵横比为约10至约300的薄片。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述剥离型2D材料包括多个平均厚度为约0.35纳米(nm)至约10nm的薄片。

17.如权利要求1所述的方法，其中所述剥离型2D材料包括多个平均长度为约50nm至约1,600nm的薄片。

18.如权利要求1所述的方法，其中所述剥离型2D材料包括多个包括至多约20层的薄片。

19.如权利要求1所述的方法，其中所述2D材料混合物还包含溶剂。

20.如权利要求1所述的方法，其还包括离心所述剥离型2D材料。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述离心以约700转/分钟(rpm)至约4,000rpm的速率进行。

22.如权利要求20所述的方法，其中所述离心进行约2分钟至约180分钟的时间段。

23.一种用于连续产生剥离型二维(2D)材料的方法，所述方法包括：

·提供2D层状材料；

·提供可压缩流体的连续流；

·将所述2D层状材料进料至所述可压缩流体的连续流中，从而形成所述2D层状材料和所述可压缩流体的混合物的连续流；以及

·使所述2D层状材料和所述可压缩流体的所述混合物的连续流穿过敛散喷嘴以在所述可压缩流体嵌入所述2D层状材料之前剥离所述2D层状材料。