CN113573802A - 碳材料通过气液传质的原位生产和功能化及其用途 - Google Patents

Abstract

一种制备固体碳材料的方法，其包括：将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到反应器的反应区中；将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到反应器的反应区中；并且引发至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物之间的化学反应，其中：化学反应发生在反应器的反应区中；固体碳材料通过反应来制备；固体碳材料在所述反应期间以分散体的形式来制备，分散体包含分散在所述液体中的所述固体碳材料；化学反应是均相反应，包括固体碳材料在反应器的反应区中的均相成核。

Description

碳材料通过气液传质的原位生产和功能化及其用途

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月21日提交的美国临时申请第62/783,713号和2019年10月25日提交的美国临时申请第62/926,283号的权益和优先权，其各自在此通过引用整体并入本文。

背景技术

石墨烯的应用范围很广，包括防腐涂料和油漆、电子产品、太阳能板、药物输送、电池和水过滤器。然而，石墨烯商业化的一个重大挑战是缺乏可靠的大规模生产方法来生产低成本、高质量的石墨烯。石墨烯的各种生产方法可以分为自上而下和自下而上的方法。例如，传统的自上而下的方法包括：(i)化学转化石墨烯(氧化石墨烯的还原)、(ii)电化学剥离和(iii)在存在或不存在表面活性剂下进行液相剥离(LPE)。自下而上的方法包括：(i)通过催化化学气相沉积(CVD)由小分子有机前体合成的石墨烯结构、(ii)有机合成和(iii)SiC或其他衬底上的外延生长。

这些方法中，剥离氧化石墨烯(GO)的自上而下化学还原可能是批量石墨烯生产最常见的策略。该方法对应于石墨的化学转化。该过程非常耗时(例如约5小时)，通常需要使用昂贵的有害化学品，例如硫酸、硝酸和高锰酸钾，并且是能源密集型(例如，需要800℃至1050℃的高温)。此外，该过程不是有效的。强酸消耗多达20-50％的晶种石墨。过程需要繁琐的洗涤和净化步骤，从而产生大量需要适当处理的废水。GO板需要进一步的化学还原处理以降低氧含量。该还原产生还原的氧化石墨烯(rGO)。还原程序通常涉及进一步使用有毒化学品，例如肼。即使经过还原，石墨烯也远非原始状态。将GO还原为rGO的后期生产方法不能完全除去由强氧化过程引入的氧。剩余的氧基团可认为是化学缺陷的一种形式。此外，除去氧通常会导致形成空位和边缘损坏形式的物理缺陷。

上述大多数方法不会产生原始(即纯)石墨烯。原始石墨烯是没有化学缺陷和物理缺陷的单层或少数层石墨烯片晶。这两种缺陷均降低传热应用所需的独特热性能以及微电子和储能应用所需的电性能。典型的化学缺陷是存在于石墨烯片晶表面或边缘上的氧官能团，其显著降低石墨烯的热导率。例如，甚至5％的氧含量会使石墨烯的热导率降低95％(例如参见，Xin Mu等人，Sci.Reports,4:3909；DOI:10.1038/srep03909)。化学缺陷也降低石墨烯的导电性。含多达35％氧气的GO充当绝缘体而不是导体。物理缺陷包括石墨烯片晶平面和边缘处的孔洞和空位。这些孔洞和空位阻碍热量和电子在石墨烯平面上的自由流动。物理缺陷常常在生产过程或除氧过程中产生。

与石墨烯的工作相关的另一个主要问题是很难产生稳定的石墨烯分散体。石墨烯是不溶于溶剂的固体，使得石墨烯必须以粉末形式或作为分散体使用。尝试制造包含石墨烯的分散体存在许多挑战，包括浪费和成本增加的多步骤工艺。参见例如，Liang等人，Coatings,2018,8,33；Dong等人，Nature Communications,January 8,2018,9,articlenumber 76和Johnson,Current Opinion in Colloid&Interface Science,2015,20(5-6),367-382。

因此，需要解决与制备石墨烯和其他碳材料相关的这些和其他挑战的方法。本文提供用于制备碳材料的方法，以及用于功能化材料的方法，其可以生产石墨烯、包括原始石墨烯，并且与常规方法相比可以是可扩展的、快速的并且具有降低的生产成本。

发明内容

本发明涉及制备固体碳材料和使材料、例如固体碳材料特别是石墨烯功能化的方法。这些方法包括在液体中原位制备固体碳材料，产生固体碳材料的分散体，在一些实施方案中，认为其是稳定的分散体。本发明还涉及碳材料的用途和应用。

本文公开用于制备固体碳材料的方法，所述方法包括将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到反应器的反应区中；将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到反应器的反应区中；和引起至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物之间的化学反应，其中：化学反应发生在反应器的反应区中；固体碳材料通过反应来制备；固体碳材料在反应期间以分散体的形式来制备，所述分散体包含分散在液体中的固体碳材料；化学反应是均相反应，包括固体碳材料在反应器的反应区中的均相成核。优选地，化学反应包括气液传质。优选地但不必需地，气体的组成不同于液体的组成。优选地但不必需地，至少一种气态化合物的组成不同于至少一种液态有机化合物的组成。任选地，化学反应不发生在催化剂上或催化剂处。优选地但不必需地，方法不包括在固体衬底上使所述固体碳材料异相成核。任选地，输送液体的步骤通过第一输入流进入反应区来进行，输送气体的步骤通过第二输入流进入反应区来进行；其中第一流路径和第二输入流不同并且物理上分开。任选地，输送液体的步骤和输送气体的步骤同时进行。任选地，输送气体的步骤在将液体输送到反应区之后进行。优选地，当存在于反应区中时，固体碳材料保持分散在液体中。优选地但不必需地，在输送液体的步骤期间和输送气体和引发化学反应的步骤之前，液体基本上不含固体碳材料。优选地但不必需地，在输送液体的步骤期间和输送气体和引发化学反应的步骤之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。优选地但不必需地，固体碳材料仅在反应器的反应区中形成。任选地，当在其他等同步骤和条件下进行方法而没有输送气体的步骤时，制备不出固体碳材料。优选地但不必需地，输送气体包括夹带气体、注入气体或这些方式的组合。任选地，在压力下将气体夹带在液体中，将气体注入液体中，或将气体鼓泡到液体中，或这些技术的组合。优选地，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到反应区中。优选地但不必需地，输送气体的步骤和引发化学反应的步骤同时或几乎同时进行(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)。优选地，至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物同时(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)存在于反应区。任选地，引发化学反应的步骤包括液体中的空化和/或引发剪切力。反应器将是能够引起空化、剪切、高压、高温和/或混合的反应器，例如空化反应器、剪切反应器或搅拌釜反应器。在一些实施方案中，反应器是包括搅拌器的搅拌釜式反应器，其中搅拌器在液体中引发剪切力。

本文公开用于制备固体碳材料的方法，方法包括：将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到空化反应器中；在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到空化反应器的空化区中；从而将碳材料制成包含分散在液体中的碳材料的分散体形式。任选地，反应器是流体动力学空化反应器、剪切反应器、超声空化反应器或多功能反应器。任选地，空化反应器包括流体动力学空化或超声空化。任选地，反应器包括转子定子反应器、台式剪切反应器、高速剪切反应器(例如CharlesRoss HSM-700)、流体动力学空化反应器、孔板反应器、旋转填充床反应器、旋转盘反应器、撞击流反应器、超音速气固反应器、超声反应器、探针超声反应器、剪切混合器反应器、微波辐射反应器、冲击波反应器(例如，SHOCKWAVE POWER^TM反应器(SPR)；Hydro Dynamics,Inc.,Rome,GA)，或这些的组合。在一个实施方案中，超声处理用于在液体中引起或诱导空化。任选地，输送气体包括夹带气体、注入气体或这些反式的组合。任选地，气体夹带在液体中。可以使用在反应器的操作条件内能够实现气液传质的任何合适的压力(例如，2psi至150psi、10psi至100psi)将气体夹带在液体中。任选地，将气体注入液体中。任选地，将气体鼓泡到液体中。任选地，在输送气体的步骤中将气体直接输送到空化区中。例如，气体可直接输送到空化区的空化气泡起始位置。任选地，形成空化气泡和输送气体的步骤同时或几乎同时进行(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)。任选地，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到空化气泡成核区中或空化气泡成核区的1mm以内，空化气泡成核区对应于在形成步骤期间流体动力学空化反应中空化气泡的成核。任选地，形成步骤包括形成空化云，空化云包括在反应器的空化区域中的空化气泡，其中气体直接输送到空化云的内部或所述空化云的1mm以内。任选地，分散体在反应器的空化区中形成。任选地，形成步骤包括形成包含空化气泡的空化云；其中碳材料形成在空化云中。任选地，在输送液体的步骤期间和在其中空化气泡之前，液体基本上不含碳材料。任选地，在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。优选地，制造碳材料包括使液体中的碳材料成核。优选地，制造碳材料包括使液体中的碳材料成核和使液体中的碳材料生长。

一方面，本文提供使分散在液体中的材料功能化的方法，分散在液体中的材料是第一分散体，方法包括以下步骤：将第一分散体输送到空化反应器中；其中液体包括至少一种液态有机化合物；在流体动力学空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体直接输送到空化反应器的空化区中；从而使材料功能化以形成第二分散体，第二分散体包含分散在液体中的功能化材料。在一些实施方案中，使材料功能化包括使材料化学地功能化、物理地功能化或化学和物理地功能化能化。在一些实施方案中，材料是碳材料，包括石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳纳米管、碳洋葱或其他碳的同素异形体、六方氮化硼或其任意组合。在一些实施方案中，功能化材料包含氧化石墨烯。在一些实施方案中，功能化包括向材料加入氧原子、从材料中除去氧原子、向材料加入氮原子、向材料加入硫原子或其组合。在一些实施方案中，气体包括氧气、水蒸气、氢气、氮气、二氧化硫、CO₂、臭氧或其任何组合。在一些实施方案中，在输送气体的步骤期间将气体直接输送到空化区中。在一些实施方案中，形成空化气泡和输送气体的步骤同时或几乎同时进行(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)。在一些实施方案中，形成空化气泡的步骤包括使空化气泡成核。在一些实施方案中，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到空化气泡成核区中或空化气泡成核区的1mm以内，空化气泡成核区对应于在形成步骤期间流体动力学空化反应中的空化气泡成核。在一些实施方案中，形成步骤包括在反应器的空化区中形成包含空化气泡的空化云，其中气体直接输送到空化云的内部或空化云的1mm以内。在一些实施方案中，使材料功能化的方法包括终止气体的输送并且将分散体保留在空化区中，而气体不输送到空化区中。在一些实施方案中，在将分散体保留在空化区的步骤期间和终止步骤之后，并且当气体没有输送到空化区中时，功能化方法还包括对分散体进行脱气以降低夹带其中的气体浓度的步骤。

附图说明

图1说明根据本发明的某些实施方案的示例性流体动力学空化反应器或其一部分。

图2是本发明的一个实施方案中未经处理的石墨烯、脱氧石墨烯和用乙炔处理的脱氧石墨烯的电压-电流图。

图3是根据本发明的一个实施方案制备的类石墨烯片晶的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图4是使用能量色散X射线光谱(EDS)数据从图3所示的两部分片晶测量的能量(keV)与强度的图(光谱5和光谱6重叠)。

图5A和图5B是通过本文公开的方法的实施方案产生的示例性类石墨烯片晶的另外的SEM图像。

图6A至图6B：图6A显示微米级类石墨烯片晶的SEM图像，其中正方形(标记为“1”和“2”)识别区域对应于图6B所示的EDS光谱(正方形1对应于“光谱1”和正方形2对应于“光谱2”)。图6B显示图6A识别的区域内碳材料中由EDS光谱计算的元素原子浓度的EDS光谱。

图7A至图7B：图7A显示微米级类石墨烯片晶的SEM图像，其中正方形(标记为“5”和“6”)识别区域对应于图7B中所示的EDS光谱(正方形5对应于“光谱5”和正方形6对应于“光谱6”)。图7B显示EDS光谱和表，该表总结了图7A识别的区域内碳材料中由EDS光谱计算的元素原子浓度。

图8A至图8B是根据实施例4B的碳材料的SEM图像。

图9A至图9B是根据实施例5A的碳材料的散射光强度数据。

图10A至图10B是根据实施例5A的碳材料的粒径数分布。

图11A至图11B是用于确定根据实施例5A的碳材料分散体的ζ电位的迁移率数据。

图12A至图12B是对应于根据实施例5B的碳材料的SEM图像和EDS数据。

图13A至图13B是对应于根据实施例10的碳材料的SEM图像和EDS数据。

图14是未加工的Syn 530机油(顶部)和加工的Syn 530机油(底部)的摩擦系数与时间的图，其中“加工”是指根据某些实施方案的制造本文公开的碳材料的方法。根据本文公开的实施方案，数据表明，由于在包含使用高剪切力夹带的丙烷气的Syn 530机油中的空化过程中形成的纳米晶碳材料的存在，减少了磨痕和摩擦系数。

图15是未加工的AMSOIL^TM油(顶部)和加工的AMSOIL^TM油(底部)的摩擦系数与时间的图，其中“加工”是指根据某些实施方案的制造本文公开的碳材料的方法。根据本文公开的实施方案，数据表明，由于在包含使用高剪切力夹带丙烷气的AMSOIL^TM机油中的空化过程中形成的纳米晶碳材料的存在，减少了磨痕和摩擦系数。

图16是未加工的MOBILE 1^TM油(顶部)和加工的MOBILE 1^TM油(底部)的摩擦系数与时间的图，其中“加工”是指根据某些实施方案的制造本文公开的碳材料的方法。根据本文公开的实施方案，数据表明，由于在包含使用高剪切力夹带的丙烷气的MOBILE 1^TM机油中的空化过程中形成的纳米晶碳材料的存在，减少了磨痕和摩擦系数。

图17A至图17B是用于确定根据实施例11A的碳材料分散体的ζ电位的迁移率数据。

图18是示例性台式剪切反应器的示意图。

图19是示例性高速剪切反应器的示意图。

图20是示例性多功能反应器的示意图。

图21是示例性超声空化反应器(例如探针超声反应器)的示意图。

图22是Jonathan Wostell于2016年所著的“Scaling Chemical Processes,Practical Guides in Chemical Engineering”一书中的K_总与搅拌器rpm的关系图。

图23是根据某些实施方案的示例性搅拌釜反应器。

图24是对应于搅拌釜反应器用气体诱导叶轮的示意图。

图25是显示在80psi的压力和60℃的温度下通过将丙烷气体注入液态甲苯中30分钟，在搅拌、高温、高压釜式反应器中生产的少数层类石墨烯材料的SEM。

图26是氧化石墨烯中元素原子百分比的EDS。

图27是还原氧化石墨烯(图26的还原氧化石墨烯)中元素原子百分比的EDS。

图28是原始石墨烯中元素原子百分比的EDS。

图29是部分氧化(边缘氧化)石墨烯(图28氧化石墨烯)中的元素原子百分比的EDS。

图30说明显示当将水分散的边缘氧化石墨烯添加到Master Chemical 685的水部分时在钢中形成螺纹所需的扭矩降低26％的数据。

图31包括根据本文公开的某些实施方案制备的阳离子石墨烯的ζ电位数据。

关于化合物和命名的声明

一般而言，本文使用的术语和短语具有其本领域公认的含义，其可通过参考本领域技术人员已知的标准文本、期刊参考文献和上下文获得。提供以下定义以阐明它们在本发明上下文中的具体用途。

不希望受任何特定理论的束缚，本文可以讨论与本文公开的装置和方法相关的基本原理的观念或理解。应认识到，无论任何机械解释或假设的最终正确性如何，本发明的实施方案仍然是可操作的和有用的。

如本文所用，术语“有机化合物”是指特征在于化学式中具有至少一个碳(C)原子的化学物质。例如，甲烷(CH₄)是气态有机化合物。例如，乙醇是液态有机化合物。术语“液态有机化合物”是指在使用它的方法的条件下基本上为液体的有机化合物(例如，其沸点高于方法执行期间液体的整体温度)。术语“气态有机化合物”是指在使用它的方法的条件下基本上为气态的有机化合物(例如，其沸点低于方法执行期间气体的整体温度)。

术语“空化”是指由于液体表现出的或施加在液体上的压力变化(通常是快速的压力变化)而在液体中形成蒸汽空腔或“空化气泡”。例如，经历突然膨胀的液体，例如离开小孔口并且进入较大体积的液体，可能会经历足以导致形成空化气泡的突然压降。空化可由力或能量源中的一种或组合引起，包括但不限于由于体积膨胀、超声(本文也称为超声处理)引起的压力变化。尽管在高剪切反应器中可能发生空化，特别是在注入气体时，但主要反应可能来自剪切。流体动力学空化包括由流体施加或经历的压力变化引发或引起的空化，例如由于体积变化，例如由于流体进入、通过和离开孔口。超声空化(在本文中也称为超声空化(sonication cavitation)或超声空化(ultrasonic cavitation))是指由流体施加或经历的超声引发或引起的空化。空化气泡的形成包括空化气泡的第一成核。空化可伴随着多个空化气泡的形成，任何时刻存在的空化气泡的总和形成“空化云”。空化云对应于包括空化气泡的液体区域，在一些实施方案中，其包括空化气泡正在成核的任何区域或位置。

如本文所用，术语“空化反应器”是指在流体中引发或引起空化的反应器。优选地但不必需地，空化反应器为流体动力学空化反应器、超声空化反应器或多功能空化反应器。

“流体动力学空化反应器”是配置成在流体中引发或引起流体动力学空化的反应器。优选地，流体动力学空化反应器是包含一个或多于一个用于在液体中引发空化(形成空化气泡)的区域的系统。流体动力学空化反应器通常包括预空化区和空化区。在一些实施方案中，流体动力学空化反应器包括至少一个孔口(例如，孔径、开口、孔洞、凹口、穿孔)，使得流体从预空化区通过孔口流动到空化区中。可用于本文公开的方法的流体动力学空化反应器可包括用于形成空化气泡的多种配置和区域/设备，包括但不限于孔口、喷嘴、文丘里管、转子以及本领域已知的这些或其他特征的任何组合。

“剪切反应器”是配置为在流体中引发或引起剪切的反应器。图18显示示例性的台式剪切混合器(剪切反应器)，例如FM Fuko Bench高剪切装置。图19显示剪切混合器，例如Charles Ross HSM-700转子定子串联高速剪切混合器，其在注入气体时也能够引发空化。

“超声空化反应器”是配置成在流体中引发或引起超声空化的反应器。

“多功能反应器”是包括多个反应器或多个不同的引发化学反应的机制/过程的反应器，通过该化学反应形成固体碳材料。多功能反应器可以是多功能空化反应器，其包括多个空化反应器或一个空化反应器，它通过多种类型的空化(或引发或产生空化的能量或力)在流体中引发或产生空化。例如，多功能反应器可包括多种用于在流体中引发或引起空化的机构。例如，多功能反应器可配置为在流体中引发或引起流体动力学空化、超声空化和剪切中的至少两种。图20是多功能空化反应器的示意图，多功能空化反应器包括流体动力学空化反应器和剪切反应器。根据某些实施方案，多功能空化反应器包括两个串联的反应器，如图20所示。第一反应器，例如气体进料流体动力学空化反应器，可以制造固体碳材料，例如类石墨烯材料，例如当流体通过一个或多于一个孔口时其经历压降，并且在空化气泡的一个或多个成核点附近注入气体。根据某些实施方案，然后流体(现在充满碳材料)可以通过第二反应器，例如高剪切反应器，其中例如类石墨烯材料可以剪切成结晶颗粒。根据某些实施方案，没有气体注入第二反应器，如高剪切反应器。

如本文所用的术语“原位(in situ)”(或“原位(in-situ)”)，对于固体碳材料或制备固体碳材料的方法、例如原位形成的碳材料或原位碳材料或制备固体碳材料的原位方法，是指碳材料或制备固体碳材料的方法，其中碳材料通过方法制备，而不是在其他情况下对方法的输入。制备碳材料的方法可以是根据本文公开的任何实施方案的方法，并且碳材料可以是根据本文公开的任何实施方案的碳材料。例如，作为原位方法的输入提供的液体不含碳材料，并且在原位方法中在液体中制备固体碳材料，在这种情况下，制备的碳材料可称为原位碳材料。例如，在用于制造固体碳材料的原位方法中，在输送液体的步骤期间和在原位方法期间在所述液体中形成空化气泡之前，液体基本上不含碳材料。例如，液体基本上不含固体颗粒，并且在将液体输送至方法的步骤期间以及在其中形成空化气泡之前基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。如本文别处所述，在制备碳材料的方法期间，原位碳材料可在反应器的反应区域、例如空化反应器的空化区或空化云中制备。

如本文所用，术语“良好分散的”可指液体中的颗粒稳定地分散，并且从液体中聚集和/或沉淀最少或不从液体中聚集和/或沉淀。优选地但不必需地，良好分散的颗粒的特征是ζ电位大于+40mV或小于-40mV。

术语“分散体”是指分散和/或悬浮在液体(其可称为溶剂)中的颗粒例如一种或多于一种固体碳材料颗粒的混合物。胶体混合物是一种示例性的分散体。优选地但不必需地，分散体是均质混合物。在分散体的上下文中，术语“均质”是指肉眼看起来均匀的液体混合物。相反，异质液体混合物包括从液体混合物中沉淀或悬浮的颗粒，并且颗粒大到足以在液体混合物中用肉眼清楚地可识别。异质液体混合物包括例如，沉淀的和/或正在沉淀的颗粒。优选地但不必需地，术语“分散体”广义上意在包括溶液和分散体例如胶体，其不是异质液体混合物。优选地但不必需地，分散体是在液体(例如溶剂)中微观上均质或均匀的颗粒混合物。优选地但不必需地，分散体在热力学上有利于保持稳定分散或在热力学上有利于通过沉降分离，但其中在动力学上减缓或阻止沉降。在常温常压(NTP)和暴露于空气下，以稳定分散为特征的分散体颗粒在分散体中保持分散并且不从分散体的液体中沉降或沉淀至少5小时、优选至少12小时、优选至少24小时、更优选至少1周。

如本文所用，术语“碳材料”是指固体碳材料。如本文所用，术语“碳材料”或“固体碳材料”不是指液态有机化合物(例如输送到反应器的液体的液态有机化合物)也不是指气态有机化合物(例如输送到反应器的气体的气态有机化合物)。示例性碳材料包括但不限于石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯和其任何组合。

术语“同时”是指在检测限度内的同时。术语“几乎同时”是指在5分钟内、4分钟内、2分钟内、优选1分钟内、更优选30秒内，优选在一些实施方案中在15秒内，优选在一些实施方案中在10秒内，优选在一些实施方案中在5秒内，或更优选地在一些实施方案中在1秒内。

液体中夹带的气体是例如，溶解在液体中的气体。注入的气体是例如，如经由压差注入到液体中的气体，使得气体引入液体中或以其他方式存在于液体中(例如，在气泡形成的开始时)。将气体鼓泡到液体中是将气体注入液体中的一个实例。

术语“整体温度”是指流体或材料的主要部分的平均温度。例如，液体的整体温度可以接近室温，即使液体可以包括局部温度变化，例如在空化气泡形成和坍塌的位置，其中局部温度可能超过整体温度。例如，流体的局部温度可以对应于以下尺度上的流体温度：1nm³或更少、10pm³或更少、100pm³或更少或1mm³或更少。例如，流体的局部温度可以对应于大于1mm³的尺度的流体温度。

如本文所用，术语“聚合物”是指由通过共价化学键连接的重复结构单元组成的分子，其通常以大量重复单元为特征(例如，等于或大于3个重复单元，任选地在一些实施方案中等于或大于10个重复单元，在一些实施方案中大于或等于30个重复单元)和高的数均分子量(例如，大于1000Da、大于或等于10000Da，在一些实施方案中大于或等于50000Da或大于或等于100000Da)。聚合物通常是一种或多种单体前体的聚合产物。术语聚合物包括均聚物，即基本上由单一重复单体亚单元组成的聚合物。术语聚合物还包括共聚物，当两种或更多种不同类型的单体结合在同一聚合物中时形成共聚物。共聚物可以包含两个或更多个单体亚单元，并且包括无规、嵌段、刷状、刷状嵌段、交替、分段、接枝、锥形和其他结构。有用的聚合物包括可以处于无定形、半无定形、结晶或半结晶状态的有机聚合物或无机聚合物。能够交联聚合物(例如物理交联)的聚合物侧链可用于一些应用。有用的共聚物包括嵌段共聚物和/或接枝共聚物。示例性聚合物包括但不限于具有一个或多于一个未经取代或经取代的如下基团的那些重复单元：聚异氰酸酯基团、聚甲基丙烯酸酯基团、聚丙烯酸酯基团、聚甲基丙烯酰胺基团、聚丙烯酰胺基团、聚喹喔啉基团、聚胍基团、聚硅烷基团、聚乙炔基团、聚氨基酸基团、多肽基团、聚氯醛(polychloral)基团、聚丙交酯基团、聚苯乙烯基团、聚丙烯酸酯基团、聚丙烯酸叔丁酯基团、聚甲基丙烯酸甲酯基团、聚硅氧烷基团、聚二甲基硅氧烷基团、聚丙烯酸正丁酯基团、聚乙二醇基团、聚环氧乙烷基团、聚乙烯基团、聚丙烯基团、聚四氟乙烯基团、聚氯乙烯基团及其任何组合。

如本文所用，术语“基团”是指化合物的官能团。本发明化合物的基团是指作为化合物一部分的一个原子或原子的集合。本发明的基团可以通过一个或多于一个共价键连接到化合物的其他原子上。基团也可以根据它们的价态来表征。本发明包括表征为一价、二价、三价等价态的基团。

“低聚物”是指由通过共价化学键连接的重复结构单元组成的分子，其特征通常在于重复单元的数量少于聚合物的数量(例如，等于或小于3个重复单元)和比聚合物低的数均分子量(例如，小于或等于1000Da)。低聚物可以是一种或多于一种单体前体的聚合产物。

术语“预聚物(pre-polymer)”或“预聚物(prepolymer)”是指单体或包含一种或多于一种单体的混合物，其中单体已反应至中间分子质量状态。预聚物能够进行进一步聚合到完全固化的较高分子量状态。在一些实施方案中，术语预聚物和单体互换使用。

除非另有说明，否则术语“分子量”是指平均分子量。除非另有说明，否则术语“平均分子量”是指数均分子量。数均分子量定义为样品体积的总重量除以样品内的分子数。如本领域惯用和众所周知的，峰均分子量和重均分子量也可用于表征样品内聚合物分布的分子量。

术语“重均分子量”(M_w)是指平均分子量定义为每个聚合物分子的分子量(M_i)乘以其重量分数(w_i)的乘积之和：M_w＝Σw_iM_i。如本领域惯用和众所周知的，峰平均分子量和数均分子量也可用于表征样品内聚合物分布的分子量。

术语“基本上”是指在20％以内、10％以内、5％以内、1％以内的性能或条件，或者相当于参考性能或条件。术语“基本上等于”、“基本上相等”或“基本上不变”，当与描述性能或条件的参考值结合使用时，是指在20％以内、10％以内、5％以内、1％以内、1.1％以内的值或条件，或任选地相当于提供的参考值或条件。例如，如果浓度值在20％以内、10％以内、5％以内、1％以内，则浓度基本上等于1质量％、或等于1质量％。例如，如果至少80％(例如，体积、摩尔数或按质量计)、至少90％、至少95％、至少95％或100％的材料或流体在特定区域内，则基本上全部材料或流体在特定区域内。术语“基本上大于”，当与描述性能或条件的参考值或条件结合使用时，是指大于提供的参考值或条件的至少2％、至少5％、至少10％或至少20％的值。术语“基本上小于”，当与描述性能或条件的参考值或条件结合使用时，是指小于提供的参考值的至少2％、至少5％、至少10％或至少20％的值或条件。例如，如果浓度值比1质量％小至少20％、至少10％、至少5％或至少1％，则该浓度基本上小于1质量％。

术语“类石墨烯材料”是指通过本发明方法生产的基于固体碳的材料，其可加工成物理上类似于原始石墨烯。原始石墨烯包含少于1％的氧并且具有很少的层(例如，1至2层)。原始石墨烯的片晶尺寸通常为1微米至5微米。如本文所述并且在流体动力学条件下在烃溶剂中制备的原位制备的碳材料由多层片晶(大于2层，例如，5至15层、6至13层、7至12层、8至11层)组成，所述多层片晶具有约1微米至50微米(例如，2μm至25μm、3μm至15μm或5μm至10μm)的片晶尺寸。当用无水烃溶剂(例如甲苯)制备时，所生产的类石墨烯材料将具有小于1％的氧。此外，通过本发明的方法产生的类石墨烯材料容易被液体剥离成几层石墨烯。它比石墨更容易被液体剥离，因为在不拘泥于任何理论下，认为由于块状类石墨烯材料在原位形成，因此块状石墨烯片可能以比在石墨中发现的更弱的范德华键保持在一起。

术语“搅拌釜反应器”和“搅拌釜式反应器”旨在互换并且具有等同含义。

如本文所用，术语“原位减摩”是指流体的润滑性进行改变或改善的过程。在原位减摩过程中，流体可用作润滑剂并且同时或几乎同时(例如，在5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)改善其润滑性能。

在一个实施方案中，本发明的组合物或化合物，例如液态有机化合物或气态有机化合物，进行分离或基本上纯化。在一个实施方案中，如本领域所理解的，分离或纯化的化合物至少部分分离或基本上纯化。在一个实施方案中，本发明的基本上纯化的组合物、化合物或制剂具有至少95％的化学纯度，任选地对于一些应用至少97％纯，任选地对于一些应用至少98％纯，任选地对于一些应用至少99％纯，任选地对于一些应用至少99.9％纯，任选地对于一些应用99.99％纯，和任选地对于一些应用99.999％纯。

具体实施方式

在以下描述中，阐述本发明的装置、装置部件和方法的许多具体细节，以便提供对本发明的确切性质的全面解释。然而，对于本领域技术人员明显的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明。

本文公开制备固体碳材料的方法，其包括：将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到反应器的反应区中；将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到反应器的反应区中；和引起至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物之间的化学反应，其中：化学反应发生在反应器的反应区中；固体碳材料通过反应来制备；固体碳材料在反应期间以分散体的形式来制备，所述分散体包含分散在液体中的固体碳材料；化学反应是均相反应，包括固体碳材料在反应器的反应区中的均相成核。优选地，化学反应包括气液传质。优选地但不必需地，气体的组成不同于液体的组成。优选地但不必需地，至少一种气态化合物的组成不同于至少一种液态有机化合物的组成。例如，与其中气体和液体具有相同化学组成的等同过程相比，使气体(或其至少一种气态有机化合物)和液体(或其至少一种液态有机化合物)具有不同的化学组成(例如，丙烷和乙醇)可提供给所得固体碳材料的更广泛的类型灵活度、组成和性质。任选地，化学反应不发生在催化剂上或催化剂处。优选地但不必需地，方法不包括在固体衬底上使所述固体碳材料异相成核。任选地，输送液体的步骤通过第一输入流进入反应区来进行，输送气体的步骤通过第二输入流进入反应区来进行；其中第一流路径和第二输入流不同并且物理上分开。任选地，输送液体的步骤和输送气体的步骤并行进行。任选地，输送气体的步骤是在将液体输送到反应区之后进行的(例如，但不必需地，在间歇法中，其中首先将液体输送到间歇反应器，然后在此期间当需要发生反应时输送气体)。优选地，当存在于反应区中时，固体碳材料保持分散在液体中。优选地但不必需地，在输送液体的步骤期间和输送气体和引发化学反应的步骤之前，液体基本上不含固体碳材料。优选地但不必需地，在输送液体的步骤期间和输送气体和引发化学反应的步骤之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。优选地但不必需地，固体碳材料仅在反应器的反应区中形成。任选地，当在其他等同步骤和条件下进行方法而没有输送气体的步骤时，制备不出固体碳材料。优选地但不必需地，输送气体包括夹带气体、注入气体或这些方式的组合。任选地，在压力下气体夹带在液体中，气体注入液体，或气体鼓泡到液体中，或这些方式的组合。优选地，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到反应区中。反应区内的压力是能够实现气液传质的任何合适压力(例如，10psi至5000psi、50psi至3000psi等)。优选地但不必需地，输送气体的步骤和引发化学反应的步骤同时或几乎同时进行(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)。优选地，至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物同时(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)存在于反应区内。优选地，制造碳材料包括使液体中的碳材料成核。优选地，制造碳材料包括使液体中的碳材料成核和使液体中的碳材料生长。任选地，固体碳材料是多种碳材料。任选地，反应器是空化反应器、剪切反应器、搅拌釜反应器或多功能反应器。在一些实施方案中，反应器是空化反应器；反应区是空化反应器的空化区；方法包括在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡。

与常规方法相比，本文公开的本发明方法可花费几分钟或甚至几秒钟而不是几小时，成本低，使用最少的不良化学品，使用较少能量，和/或高度可扩展。出乎意料地发现，利用本发明的方法，可在流体中以分散体、包括稳定分散体的形式直接(即，单一步骤)生产固体碳材料、例如石墨烯或类石墨烯材料。与固体粉末相比，分散的固体碳材料(例如石墨烯或类石墨烯材料)具有一个或多于一个优点。这些优点包括液体比粉末更容易稀释，从材料处理的角度来看，液体更容易处理，和/或与制造粉末然后分散粉末相比，直接在单个步骤中在流体中生产固体碳材料成本更低。

在本发明的方法中，反应器是任何合适的反应器，其促进气液传递质以由至少一种气态有机化合物和至少一种液态有机化合物形成固体碳材料。一般而言，反应器将是能够引发空化、剪切、高压、高温和/或混合或这些条件的任何组合的反应器。在实施方案中，反应器选自空化反应器、剪切反应器、搅拌釜反应器或这些的组合。可引发空化、剪切、高压、高温和/或混合的合适反应器的具体实例包括搅拌罐反应器、涡轮反应器、整体式反应器、泡沫反应器、转子定子反应器、台式剪切反应器、高速剪切反应器(例如，Charles RossHSM-700)、流体动力学空化反应器、孔板反应器、管式旋转反应器、旋转填充床反应器、Z字形旋转反应器、流化床反应器、Taylor-Couette反应器、套管式反应器、旋转盘反应器、撞击流反应器、超音速气固反应器、超声反应器、探针超声反应器、微波辐射反应器、冲击波反应器(例如，SHOCKWAVE POWER^TM反应器(SPR)；Hydro Dynamics,Inc.,Rome,GA)、连续流动反应器(例如，RAPTOR^TM反应器；La Mesta Chimie Fine,Gilette,France)、剪切混合反应器，以及这些的任何组合。例如，流体动力学空化反应器可与搅拌釜反应器集成或搅拌釜反应器可与剪切反应器集成。应当理解，反应器可分类为用于诱导气液传质(例如，空化、剪切、高压和/或高温)的一个或多于一个类别。

任选地，引发化学反应的步骤包括在液体中引发剪切力。任选地，反应器是包括搅拌器的搅拌釜反应器；其中搅拌器在液体中引发剪切力。任选地，搅拌器选自气体诱导搅拌器、Rushton搅拌器/涡轮、整体式搅拌器、螺旋搅拌器、板或径向扁平叶片叶轮、轴螺旋桨、斜叶片、涡轮涡流搅拌器、一个轴上的多个搅拌器以及这些的任意组合。任选地，搅拌器是气体诱导搅拌器。任选地，搅拌器的特征在于转速选自200rpm至14000rpm的范围(例如，250rpm至12000rpm、500rpm至10000rpm、1000rpm至5000rpm、1000rpm至3000rpm、1000rpm至1200rpm)。在搅拌釜反应器中由叶轮产生的剪切力很大程度上取决于叶轮直径(D)与釜直径(T)的比率。D/T比通常为0.1至0.6，优选0.2至0.5。低D/T比产生高剪切，通常以较高rpm运行，而高D/T比产生低剪切并且以较低rpm运行。任选地，引发化学反应的步骤包括搅动或搅拌反应区内的液体和气体，其可以包括减小反应区内液体中气体气泡的平均大小。任选地，反应器区中的压力为6巴(约87psi)至150巴(约2175psi)。任选地，反应区内的温度为20℃至250℃(例如，20℃至200℃、20℃至150℃、20℃至100℃、30℃至250℃、30℃至200℃、30℃至150℃、30℃至100℃、40℃至250℃、40℃至200℃、40℃至150℃、40℃至100℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、50℃至90℃或60℃至100℃)。

一方面，本文提供制造固体碳材料的方法，所述方法包括：将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到空化反应器中；在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到空化反应器的空化区中；从而将碳材料制成包含分散在液体中的碳材料的分散体形式。在一些实施方案中，空化反应器是流体动力学空化反应器、剪切反应器、超声空化反应器或多功能反应器。在一些实施方案中，空化反应器包括流体动力学空化；或其中空化反应器包括超声空化。在一些实施方案中，空化反应器包括流体动力学空化和转子定子反应器；或其中空化反应器包括超声空化和转子定子反应器。在一些实施方案中，空化反应器包括转子定子反应器、台式剪切反应器、高速剪切反应器、流体动力学空化反应器、孔板反应器、旋转填充床反应器、旋转盘反应器、撞击流反应器、超音速气固反应器、超声反应器、探针超声反应器、剪切混合反应器或这些的组合。在一些实施方案中，输送气体包括夹带气体、注入气体或这些方式的组合。在一些实施方案中，气体夹带在液体中。在一些实施方案中，气体注入液体中。在一些实施方案中，气体鼓泡到液体中。在一些实施方案中，在输送气体的步骤中气体直接输送到空化区中。在一些实施方案中，形成空化气泡的步骤和输送气体的步骤同时或几乎同时进行(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内、15秒内、10秒内、5秒内或1秒内)。在一些实施方案中，形成空化气泡的步骤包括使空化气泡成核。在一些实施方案中，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送至空化气泡成核区或空化气泡成核区的1mm以内，空化气泡成核区对应于在形成步骤期间在空化反应中的空化气泡的成核。在一些实施方案中，形成步骤包括在反应器的空化区中形成包含空化气泡的空化云，其中气体直接输送到空化云的内部或空化云的1mm以内。在一些实施方案中，在反应器的空化区中形成分散体。在一些实施方案中，形成步骤包括形成包含空化气泡的空化云；其中碳材料形成在空化云中。在一些实施方案中，在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含碳材料。在一些实施方案中，在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。在一些实施方案中，制造碳材料包括使液体中的碳材料成核。在一些实施方案中，制造碳材料包括使液体中的碳材料成核和使液体中的碳材料生长。在一些实施方案中，碳材料是多种碳材料。

在一些实施方案中，空化反应器是或包括具有预空化区和孔口区的流体动力学空化反应器，其中孔口区介于预空化区和空化区之间。孔口区包含至少一个孔口，使得液体从预空化区通过至少一个孔口流动至空化区。换言之，在输送液体的步骤期间，液体可输送至预空化区使得液体基本上从预空化区通过至少一个孔口流动至空化区。至少一个孔口的每一个的特征在于，内径小于预空化区的内径。在一些实施方案中，紧靠至少一个孔口外侧的空化区的内径大于孔口的孔口内径。在一些实施方案中，将气体直接输送到至少一个孔口的空化端或至少一个孔口的端部的1mm以内；至少一个孔口的空化端是距离空化反应器的空化区最近的至少一个孔口的一端。在一些实施方案中，将气体输送到至少一个孔口的出口侧的1mm以内(例如，0.8mm以内、0.6mm以内、0.5mm以内、0.3mm以内、0.2mm以内)或直接输送到至少一个孔口的出口侧中(例如，一根或多于一根气体输送管结束并且向其输送气体)。

在一些实施方案中，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到空化气泡成核区的1mm以内、0.8mm以内、0.6mm以内、0.5mm以内、0.3mm以内、0.2mm以内或0.1mm以内，或优选地对于一些应用直接输送到空化气泡成核区中。空化气泡成核区对应于在形成步骤期间在空化反应中空化气泡的成核部位。在一些实施方案中，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到反应器的反应区(例如，空化区)的1mm以内、0.8mm以内、0.6mm以内、0.5mm以内、0.3mm以内、0.2mm以内或0.1mm以内，或优选地对于一些应用直接输送到反应器的反应区(例如，空化区)中。

在一些实施方案中，形成步骤包括在反应器的空化区中形成包含空化气泡的空化云，其中将气体直接输送到空化云的1mm以内、0.8mm以内、0.6mm以内、0.5mm以内、0.3mm或0.2mm以内，或优选地对于一些应用直接输送到空化云内部。

在一些实施方案中，分散体至少部分地形成于反应器的反应区(例如，空化区)中。在一些实施方案中，分散体基本上形成于反应器的反应区(例如，空化区)中。在一些实施方案中，分散体至少部分形成于反应器的空化云中(当反应器是空化反应器时)。在一些实施方案中，分散体基本上形成于反应器的空化云中(当反应器是空化反应器时)。在一些实施方案中，分散体至少部分地形成于反应器的空化气泡成核区中(当反应器是空化反应器时)。

在一些实施方案中，形成步骤包括形成包含空化气泡的空化云；其中碳材料形成在空化云中。在一些实施方案中，在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含碳材料或其核。例如，在输送液体之前，液体基本上不含碳材料或其核。在一些实施方案中，在液体进入空化反应器的空化区之前，液体基本上不含碳材料或其核。例如，在液体进入流体动力学空化反应器的孔口区的孔口之前，液体基本上不含碳材料或其核。例如，在液体离开流体动力学空化反应器的孔口区的孔口之前，液体基本上不含碳材料或其核。例如，在液体在空化气泡成核区内部、1mm以内或1cm以内之前，液体基本上不含碳材料或其核。在一些实施方案中，在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。例如，在液体进入流体动力学空化反应器的孔口区的孔口之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶物质。在一些方面，在液体离开流体动力学空化反应器的孔口区的孔口之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。例如，在液体在空化气泡成核区内部、1mm以内或1cm以内之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。

在一些实施方案中，碳材料的形成或成核发生在液体中空化气泡形成之后的1分钟内(例如，在30秒、20秒、5秒或1秒内)。在一些实施方案中，在空化气泡成核之后的1分钟内(例如，在30秒、20秒、5秒或1秒内)在空化气泡成核区的1mm以内(例如，在0.8mm、0.6mm、0.5mm、0.3mm或0.2mm以内)发生碳材料的成核，同时将气体输送到空化区域。

在一些实施方案中，制造固体碳材料的方法包括终止将气体输送到反应区(例如，空化区)中的步骤。在终止步骤之后，碳材料的尺寸特性可以改变、减小或优选地对于一些应用增加。例如，碳材料颗粒，如石墨烯颗粒或其核可在以下方面增加：其中石墨烯层的数量、颗粒或层的长度、颗粒或层的宽度、颗粒或层的直径、颗粒或层的厚度、或其任何组合。例如，碳材料颗粒，如石墨烯颗粒或其核可以在以下方面减少：其中石墨烯层的数量、颗粒或层的长度、颗粒或层的宽度、颗粒或层的直径、颗粒或层的厚度、或其任何组合。例如，背压(例如，通过关闭空化区下游的阀门并且在继续输送流体的同时将流体保留在其中)和/或边缘剪切(例如，对于流过孔口的液体)可导致碳材料尺寸特征的减小，例如减小石墨烯片晶的尺寸或石墨烯片晶中的层数。在一些实施方案中，制造固体碳材料的方法包括在终止步骤之后，将分散体保留在反应区(例如，空化区)中的时间小于或等于60分钟(例如，小于或等于30分钟、小于或等于20分钟、小于或等于10分钟、小于或等于5分钟、小于或等于1分钟)或为1分钟至60分钟、2分钟至60分钟、1分钟至30分钟、1分钟至20分钟、1分钟至10分钟或优选地对于一些应用1分钟至5分钟，而气体不输送到反应区(例如，空化区)中。例如，在气体输送终止或以其他方式关闭之后，可使分散体(或其中分散有碳材料的液体)循环或以其他方式至少部分或基本上保留在反应区(例如，空化区)内。例如，在保留步骤期间，阀门可在反应区(例如，空化区)下游至少部分关闭，以便至少部分地使分散体保留在反应区(例如，空化区)中。例如，在分散体保留于空化区中期间，在保留步骤持续时间的至少1％、至少10％、至少20％、至少50％或至少75％期间，分散体至少部分地或基本上在空化云内。例如，在分散体保留于空化区中期间，在保留步骤持续时间的至少1％、至少10％、至少20％、至少50％或至少75％期间，分散体可至少部分地或基本上在空化气泡成核区内。在一些实施方案中，在保留步骤期间，碳材料的尺寸特性可以改变、减小或者优选地对于某些应用增加。在一些实施方案中，在气体输送结束后的保留步骤期间，分散体中碳材料的浓度保持基本恒定，同时气体没有输送到反应区(例如，空化区)中。在一些实施方案中，在气体输送终止后的保留步骤期间，分散体中碳材料的浓度降低。例如，在输送气体的步骤期间，碳材料可以在液体中成核，但是在关闭气体输送之后碳材料可以基本上停止成核，尽管碳材料的一种或多于一种尺寸特性可以继续变化。例如，由于碳材料成核的停止，碳材料的浓度可以是恒定的或可以降低，例如，如果碳材料颗粒聚结(例如，聚集和/或附聚)和/或对应于分散体的液体体积增加。在一些实施方案中，在将分散体保留在反应区(例如，空化区)中的步骤期间和终止步骤之后并且在气体不输送到反应区(例如，空化区)中的同时，制备固体碳材料的方法还包括对液体或分散体进行脱气以降低其中夹带的气体浓度的步骤。

在一些实施方案中，制造固体碳材料的方法包括从分散体中回收固体或粉末形式的碳材料。回收步骤可包括例如过滤、真空过滤、溶剂蒸发、离心或其任何组合。

在一些实施方案中，液体(例如，水)中至少一种液态有机化合物的浓度为1质量％至100质量％。在一个实施方案中，液体中至少一种液态有机化合物的浓度为25质量％至100质量％。

在一些实施方案中，液体中产生的固体碳材料的浓度为：0.0025质量％至7质量％(例如，0.0075质量％至7质量％、0.01质量％至5质量％、0.1质量％至5质量％、0.5质量％至4质量％、1质量％至3质量％、1质量％至2质量％)。所需浓度可取决于碳材料分散体的最终应用。例如，对于润滑流体，所需碳材料的浓度可基本上为约0.01质量％。例如，为了制造石墨烯粉末，碳材料的浓度可基本上为约5质量％。

在一些实施方案中，至少一种液态有机化合物包含或选自单体、低聚物、预聚物、聚合物、有机溶剂及其任何组合。在一些实施方案中，至少一种液态有机化合物包括热塑性聚氨酯TPU和/或环氧树脂。在一些实施方案中，至少一种液态有机化合物包括或选自甲醇、乙醇、异丙醇、甲基吡咯烷酮、d-环戊二烯、己烷、苯、甲苯、庚烷、二甲苯、二甲亚砜、矿物油、机油、MOBILE1^TM机油、Syn 530机油、AMSOIL^TM、NonSyn、QUAKER STATE^TM 530、基础油、氢化蓖麻油、传动油、齿轮油、植物油、烃基础油、加成油、非加成油(例如高碳油)、煤油、柴油、乙二醇、丙二醇、二甘醇、三乙胺、三甲胺、戊烷、环戊烷、环己烷、1,4-二

烷、氯仿、乙醚、二氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、丙酮、二甲基甲酰胺、乙腈、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、甲酸、丁醇、丙醇、乙酸、十八碳烯、油酸、油胺、辛烷、二甘醇醚、1,2-二氯苯、乙酸甲酯、四氯乙烯、二苯基硫脲、六氟-2-丙醇、肉桂酸、三甲胺、苯硫醇、乙硫醇、乙二硫醇、4-氨基苯硫醇、丙烯酸、二硫化碳、1,2-二氯苯、N-甲基-2-吡咯烷酮，以及其任何组合。

在一些实施方案中，气态有机化合物包括或选自烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、杂环烷烃、芳烃、杂芳烃及其组合。烷烃可以是例如，C_1-20烷烃、C_1-12烷烃、C_1-8烷烃、C_1-6烷烃、C_1-4烷烃。烯烃可以是例如，C_1-20烯烃、C_1-12烯烃、C_1-8烯烃、C_1-6烯烃、C_1-4烯烃。炔烃可以是例如，C_1-20炔烃、C_1-12炔烃、C_1-8炔烃、C_1-6炔烃、C_1-4炔烃。环烷烃可以是例如，C_3-10环烷烃、C_3-6环烷烃。杂环烷烃可以是例如，稳定、饱和或部分不饱和的单环、双环和螺环体系，其包含3至7个碳原子和选自N、S和/或O的其他杂原子的环成员。这种杂环烷烃的实例包括异

唑、噻唑啉、咪唑烷、哌嗪、高哌嗪、吡咯、吡咯啉、吡唑、吡喃、哌啶、

唑和吗啉。芳烃可以是例如，C_6-30芳烃、C_6-18芳烃、C_6-10芳烃，例如苯和萘。杂芳烃可以是例如，芳族5元或6元单环基团、9元或10元双环基团、或11元至14元三环基团，每个在至少一个环中具有至少一个杂原子(O、S或N)并且每个环具有至少一个碳原子。杂芳烃的说明性实例包括吡啶、哒嗪、嘧啶、吡嗪、苯并咪唑、三嗪、咪唑、(1,2,3)-三唑和(1,2,4)-三唑、吡嗪、四唑、呋喃、苯并呋喃、吡咯、噻吩、异噻唑、噻唑、异

唑和

二唑。烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、杂环烷烃、芳烃和杂芳烃可任选地被一个或多于一个取代基(例如，1个至5个、1个至4个、1个至3个或1个或2个)取代，例如烷基、芳基、卤素(F、Cl、Br、I)、硝基(-NO₂)、氰基(-CN)、羟基(-OH)、巯基(-SH)、烷氧基(-OR)、甲酰基(C(O)H)、羧基(COOH)、羧基烷基(-RCOOH)、烷基羧基(-C(O)OR)、酰胺基(C(O)NH或–NHC(O)H)、单或二烷基酰胺基(-C(O)NRR'或NRC(O)H)、氨基或单或二烷基氨基，其中R为烷基并且R'为氢或烷基，如本文所述。

气态有机化合物的实例包括甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、1,3-丁二烯、丁烷及其任何组合。

气态有机化合物以适合所用反应器类型和条件的流速输送。在一些实施方案中，气态有机化合物的特征在于反应器的反应区中的流速为6mL/min至15mL/min(例如，6mL/min至12mL/min、7mL/min至10mL/min)，特别是当反应器是流体动力学空化反应器、台式剪切反应器或高速剪切反应器(例如，Charles Ross HSM-700)时。

在一些实施方案中，气体包括还原性化合物(例如氢气)、氧化性化合物(例如氧气、臭氧、过氧化物或水)、惰性化合物(例如氩气、氮气)或这些的任何组合。

在一些实施方案中，液体的特征在于反应区(例如，空化区)中的整体温度小于400℃、小于300℃、小于200℃、小于或等于100℃、小于或等于80℃、小于或等于50℃、小于或等于40℃、小于或等于35℃、和/或20℃或高于20℃。在一些实施方案中，气体的特征在于反应器中、任选地反应区(例如，空化区)中或附近的整体温度小于400℃、小于300℃、小于200℃、小于或等于100℃、小于或等于80℃、小于或等于50℃、小于或等于40℃、小于或等于35℃、和/或20℃或高于20℃。上述端点中的任意两个可用于定义封闭范围，或单个端点可用于定义开放范围。

在一些实施方案中，液体的特征在于反应器的反应区，例如流体动力学空化反应器或超声空化反应器、剪切反应器或搅拌釜反应器的空化区中的流速为5L/min至200L/min(例如，5L/min至100L/min、5L/min至50L/min、10L/min至200L/min或10L/min至100L/min)。在一些实施方案中，在反应区(例如，空化区)中的如下压力下将气体输送(例如，注入)：2psi至150psi(例如，2psi至100psi、5psi至100psi、10psi至90psi、20psi至70psi)。在一些实施方案中，反应区(例如，空化区)中的压力为10psi至5000psi(例如，200psi至4000psi、1000至3000psi)。在一些实施方案中，反应器包括转子定子并且其中转子定子在反应器的反应区(例如，空化区)中使用如下的旋转速度操作：200rpm至14000rpm(例如，250rpm至12000rpm、500rpm至10000rpm、1000rpm至5000rpm、1000rpm至1200rpm)。在一些实施方案中，液体在反应器(例如，空化反应器)中的停留时间为0.05秒至20秒。在一些实施方案中，方法执行的处理时间是至少1分钟，并且优选至多60分钟(例如，至少2min、至少5min、至少10min和/或至多15min、至多20min、至多30min、至多40min、至多50min)。上述端点中的任意两个可用于定义封闭范围，或单个端点可用于定义开放范围。在一些实施方案中，反应器(例如，空化反应器)包括超声反应器，其中超声反应器以20kHz至300kHz的超声频率和10％至100％的幅度范围操作。

通常，当在没有其他等同步骤和条件的气体输送步骤的情况下进行该方法时，不产生固体碳材料。

在一些实施方案中，制备固体碳材料的方法包括将碳材料功能化，以提供功能化的固体碳材料。在制备固体碳材料的方法的一些实施方案中，分散体是第一分散体，碳材料为前驱体材料，空化反应器是第一空化反应器；方法还包括：将第一分散体输送到第二空化反应器中；在第二空化反应器的空化区内的第一分散体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体直接输送到第二空化反应器的空化区中；从而将前驱体材料转化成第二碳材料，第二碳材料是包含分散在液体中的第二碳材料的第二分散体形式；其中前驱体材料与第二碳材料不同。在一些实施方案中，第一空化反应器和第二空化反应器相同。

在一些实施方案中，分散体是第一分散体，化学反应是第一化学反应，气体是第一气体，反应器是第一反应器，和固体碳材料是前驱体材料。在这样的实施方案中，方法还包括：将第一分散体输送到第二反应器中；将包含至少一种气态有机化合物的第二气体直接输送到第二反应器的反应区中；和在第二反应器的反应区中引发第二化学反应；其中第二化学反应将前驱体材料转化成第二固体碳材料；第二碳材料分散在液体中；前驱体材料与第二碳材料不同。任选地，第二反应器是空化反应器，引发步骤包括在第二反应器的反应区内的第一分散体中形成空化气泡，如本文所述。任选地，第一反应器和第二反应器相同。

在一些实施方案中，分散体是胶体、悬浮液或其组合。在一些实施方案中，碳材料包括石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。在一些实施方案中，碳材料包括硫和石墨烯或包括六方氮化硼和石墨烯。在一些实施方案中，碳材料包括石墨烯或类石墨烯材料。在一些实施方案中，碳材料是石墨烯或类石墨烯材料。在一些实施方案中，碳材料包括石墨烯-聚合物纳米复合材料。在一些实施方案中，石墨烯为波纹石墨烯、皱褶石墨烯、带孔石墨烯或其任何组合。

在一些实施方案中，固体碳材料的特征在于氧含量小于或等于10原子％(例如，小于或等于7原子％、小于或等于5原子％、小于或等于1原子％、小于或等于0.5原子％或小于或等于0.1原子％)(“原子％”是原子百分比)。在一些实施方案中，碳材料的特征在于碳:氧原子浓度之比，例如至少150:1、至少175:1、至少200:1、至少225:1或至少249:1。在一些实施方案中，碳材料基本上不含氧。在一些实施方案中，碳材料是结晶的(例如，结晶石墨烯)。在一些实施方案中，流体动力学空化产生微米级石墨烯状片晶。在一些实施方案中，高剪切获取结晶石墨烯材料。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+40mV或小于-160mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+20mV或小于-20mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+30mV或小于-30mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+40mV或小于-40mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+50mV或小于-50mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+60mV或小于-60mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位的绝对值为20mV至100mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位的绝对值为20mV至80mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位的绝对值为20mV至70mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位的绝对值为20mV至60mV。在一些实施方案中，分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位的绝对值为20mV至50mV。在一些实施方案中，分散体的特征在于，相对于不含固体碳材料的相同液体，摩擦系数减少至少5％、优选至少10％、更优选至少20％、还更优选至少30％和更进一步优选至少50％。

已发现在分散体中原位形成固体碳材料增强流体的润滑。增强可按照对于不含固体碳材料的相同液体的磨痕和/或摩擦系数的减少来衡量。在一些实施方案中，分散体的特征在于磨痕减少至少3％、任选地至少5％、优选至少10％、更优选至少20％、还更优选至少30％和更进一步优选至少50％，相对于不含固体碳材料的相同液体。磨痕值可以通过任何合适的技术来测量，包括ASTM D4172，油的四球磨损与摩擦系数的关系图。在一些实施方案中，方法还包括使用固体碳材料或分散体来减少摩擦。在一些实施方案中，分散体减少摩擦系数至少5％(例如，至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、和/或至多80％、至多70％、至多60％或至多50％)。上述端点中的任意两个可用于定义封闭范围或单个端点可用于定义开放范围。在一些实施方案中，分散体用于减少摩擦，而无需清洁碳材料或从分散体中分离碳材料。在一些实施方案中，碳材料或分散体是电池的一部分(例如，电池阳极和/或电池阴极)、导电材料、导热材料、润滑流体和/或传热流体。任选地，方法包括原位减摩。

在一些实施方案中，反应器(例如，空化反应器、搅拌釜反应器)包含冷却系统。在一些实施方案中，反应器(例如，空化反应器、搅拌釜反应器)包含热交换器和/或冷却器。在一些实施方案中，反应器(例如，空化反应器、搅拌釜反应器)包含多个反应区(例如，空化区)。在一些实施方案中，流体动力学空化反应器包括多个孔口。

本文还公开用于使分散在液体中的第一固体碳材料功能化的方法，分散在液体中的第一固体碳前驱体材料是第一分散体，其中方法包括以下步骤：将第一分散体输送进入反应器的反应区中；其中液体包括至少一种液态有机化合物；将气体输送到反应器的所述反应区中；和引发功能化化学反应，其中：功能化化学反应使得由第一碳材料形成第二碳材料；功能化化学反应发生在反应器的反应区中；和在形成第二分散体的反应期间制备第二固体碳材料，第二分散体包含分散在液体中的第二固体碳材料。任选地，功能化化学反应包括化学地、物理地或化学地和物理地使第一固体碳材料功能化。任选地，第一固体碳材料包括氧化石墨烯、石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。任选地，第二固体碳材料包括还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、边缘氧化石墨烯、石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。任选地，第一固体碳材料包含氧化石墨烯和第二固体碳材料包含还原氧化石墨烯。任选地，第二碳材料中的氧的原子百分比比第一碳材料中的氧的原子百分比小至少50％。任选地，功能化化学反应包括氧化第一固体碳材料，使得第二固体碳材料可溶于水中。任选地，液体包含水和第二分散体是第二碳材料在水中的水性分散体。任选地，功能化化学反应包括向第一固体碳材料加入氧原子，从第一固体碳材料除去氧原子，向第一固体碳材料加入碳原子，向第一固体碳材料加入氮原子，向第一固体碳材料加入硫原子，或其组合。任选地，气体包括氧气、水蒸气、氢气、氮气、二氧化硫、CO₂、臭氧或其任何组合。任选地，反应器是空化反应器和反应区是空化区；方法包括在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将气体直接注入空化区。任选地，第一固体碳材料在功能化化学反应期间不与固体衬底发生化学结合。任选地，气体包含至少一种气态有机化合物(例如，甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、1,3-丁二烯、丁烷及其组合)。

一方面，本文提供使分散在液体中的材料功能化的方法，分散在液体中的材料是第一分散体，方法包括以下步骤：将第一分散体输送到空化反应器中；其中液体包括至少一种液态有机化合物；在流体动力学空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体直接输送到空化反应器的空化区中；从而使材料功能化以形成第二分散体，第二分散体包含分散在液体中的功能化材料。在一些实施方案中，使材料功能化包括使材料化学地功能化、物理地功能化或化学地和物理地功能化。在一些实施方案中，材料包括石墨烯、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、六方氮化硼或其任何组合。在一些实施方案中，功能化材料包含氧化石墨烯。在一些实施方案中，功能化包括向材料加入氧原子，从材料中除去氧原子，向材料加入氮原子，向材料加入硫原子，或其组合。在一些实施方案中，气体包含氧气、水蒸气、氢气、氮气、二氧化硫或其任何组合。在一些实施方案中，在输送气体的步骤中气体直接输送到空化区中。在一些实施方案中，形成空化气泡的步骤和输送气体的步骤同时或几乎同时(例如，5分钟内、4分钟内、2分钟内、1分钟内、30秒内)进行。在一些实施方案中，形成空化气泡的步骤包括使空化气泡成核。在一些实施方案中，在输送气体的步骤期间，将气体直接输送至空化气泡成核区或空化气泡成核区的1mm以内，空化气泡成核区对应于在形成步骤期间在空化反应中的空化气泡的成核。在一些实施方案中，形成步骤包括在反应器的空化区中形成包含空化气泡的空化云，其中气体直接输送到空化云的内部或空化云的1mm以内。在一些实施方案中，使材料功能化的方法包括终止气体的输送并且将分散体保留在空化区中，同时气体不输送到空化区中。在一些实施方案中，在将分散体保留在空化区中的步骤期间和终止步骤之后，并且同时气体不输送到空化区中的情况下，功能化方法还包括对分散体进行脱气以降低其中夹带的气体浓度的步骤。

在一些实施方案中，流体动力学空化反应器包预空化区和孔口区，其中孔口区介于预空化区和空化区之间。孔口区包含至少一个孔口，使得液体从预空化区通过至少一个孔口流动至空化区。换言之，在输送液体的步骤期间，液体可输送至预空化区使得液体基本上从预空化区通过至少一个孔口流动至空化区。至少一个孔口的每一个的特征在于，孔口内径小于预空化区的内径。在一些实施方案中，紧靠至少一个孔口外侧的空化区域的内径大于孔口的孔口内径。。在一些实施方案中，将气体输送到至少一个孔口1mm以内(例如，0.8mm以内、0.6mm以内、0.5mm以内、0.3mm以内、0.2mm以内)或直接输送到一端中(例如，出口)(例如，一根或多于一根气体输送管结束和向其输送气体)。

本文还公开制备固体碳材料或其分散体的方法，包括本文公开的方法的实施方案的任何一个或任何组合，包括用于制造固体碳材料的方法和用于使材料功能化的方法。本文还公开使固体碳材料功能化的方法，包括本文公开的方法的实施方案的任何组合，包括制备固体碳材料的方法和使材料功能化的方法。

本文包括制备固体碳材料的方法，其可与多种反应器技术相容。通常，并且不希望受任何特定理论的束缚，可用于本文公开的方法的反应器促进包括气液传递质在内的化学反应以便制备固体碳材料。促进包括气液传递质在内的化学反应以制备固体碳材料的反应器在本文中将称为“气液传质反应器”。空化反应器，例如本文所述的那些，可以是示例性气液传质反应器，其促进包括气液传质在内的化学反应以便制造固体碳材料。剪切反应器，例如本文所述的那些，可以是示例性气液传递质反应器，其促进包括气液传递质在内的化学反应以便制备固体碳材料。在某些实施方案中，搅拌釜反应器，例如本文所述，包括搅拌器，例如气体诱导搅拌器，可产生剪切力以促进包括气液传质在内的化学反应，以便制备固体碳材料。根据本文所述的实施方案，可用作气液传质反应器的相关反应器包括但不限于：搅拌或旋转釜反应器(包括涡轮、整体式和泡沫反应器)、管旋转反应器(包括填充床、Z字形床、流化床、Taylor-Couette和管中管反应器)、旋转盘反应器(包括转子定子、薄膜和旋转盘反应器)、冲击波反应器和连续流动反应器。

然而，应该注意的是，本文所述反应器，例如空化反应器和搅拌釜反应器，例如不必需地是气液传质反应器，并且不必需地(固有地)以下列方式使用：促进包括气液传质在内的化学反应，以便制备固体碳材料。本文公开的方法描述了如何促进气液传质在反应器中制造固体碳材料，该反应器可配置为与本文所述方法相容。

不希望受任何特定理论的束缚，如本文所用的气液传质工艺或机制可包括三个步骤：(1)气液传质，(2)引起化学反应，(3)制造固体碳材料，例如类石墨烯材料或洋葱状碳(OLC)。气液传质是在一定条件下引起化学反应的物理现象：当扩散的气体分子在气液界面交换时发生这些反应。为了便于制造固体碳材料，根据本文的实施方案，气体优选分散在具有小气泡的液体中。较小气泡在界面处产生较大表面积，从而产生更多气体转移到液体中(参见例如，Sideman等人，Ind.Eng.Chem.1966,58,7,32-47)。不希望受任何特定理论的束缚，每当一个相与一个或多于一个不与其化学平衡的其他相接触时，就发生“化学反应传质”现象。这种现象具有工业、生物学和生理学的重要性。在化学工艺工程中，它在分离工艺和反应工程中都会遇到。在一些情况下，可能会有意采用化学反应来加快传质速度和/或增加溶剂的容量；在其他情况下，多相反应体系是工艺的一部分，具有特定的产品形成目标。

不希望受任何特定理论的束缚，气液传质反应器通过增加高压、热或极端混合、剪切或每一种的组合的条件来加速气体向液体的转移。已开发许多气液转移反应器技术，其中一些是中试规模系统(Visscher等人，Chemical Engineering Research And Design,2013,91,1923-1940)，其他是工业规模的系统，例如工业水处理、液体催化加氢和通过CO₂气体与反应性溶剂反应除去CO₂(Numerical Gas-Liquid Mass Transfer:Application InWater Treatment Process And Experimental Validation,October 1999,Conference:Second European Congress Of Chemical Engineering(Ecce2),At:Montpellier,France；Yuea等人，Chinese Academy Of Sciences,Beijing 100039,21 December 2006Available Online 17 January 2007,and Introduction To Modeling Of MassTransfer Processes,P.A.Ramachandran,March 14,2018)。

当气体与液体反应时，传质与化学反应同时发生。在这种情况下，化学动力学与质量传递相结合，这意味着不再是简单的化学反应，而是复杂的化学-物理过程。取决于反应器和各种操作参数，该过程可趋向于扩散速率受限或反应速率受限。例如，过程可看作是首先需要将气体以气泡形式注入流体中，受扩散限制，然后在气泡中流体和气体的界面处反应。

基础化学工程理论假定，例如在搅拌釜反应器系统中，搅拌、剪切或混合的程度与总体结果(K_总)之间存在线性关系。在较低搅拌速率下，过程的“扩散”速率受到限制，但在一定程度的搅拌下存在过渡区，在该区域中，结果趋于稳定，“反应”速率变得受限。这在图22中进行说明，例如，Jonathan Wostell于2016年所著的“Scaling Chemical Processes,Practical Guides in Chemical Engineering”一书中的K_总与搅拌器rpm的关系图。

考虑气体在液体中的溶解程度也很重要。如果气体微溶于液体，则过程将趋向于受扩散速率限制。

从前述和下面的讨论中将会理解，与用于制造固体碳材料、特别包括石墨烯和类石墨烯材料的常规技术相比，本文所述的方法和系统的显著改进是固体碳材料以原位分散体的形式制造。换言之，在制造时和制造后，固体碳材料分散在主体液体中。相比之下，某些用于制造石墨烯的常规技术、例如那些利用化学气相沉积的技术，在固体衬底上形成石墨烯或以其他方式与固体衬底物理地和/或化学地结合。根据这些常规技术，获得石墨烯的分散体需要随后从所述衬底除去石墨烯，然后将石墨烯分散在液体中，从而不制成原位分散体。石墨烯或其他固体碳材料的分散体可用于各种应用，包括但不限于润滑。此外，与干固体粉末相比，分散体可更容易、更安全地使用，即使在最终使用需要粉末形式的固体碳材料的情况下也是如此。此外，与将固体粉末分散到溶剂中所需的化学过程相比，干燥或过滤分散体可能更容易且成本更低。因此，本文公开的方法通过提供包含在单个步骤而不是多个步骤中生产的固体碳材料的原位分散体是有利的。在一个实施方案中，本发明提供在液体中包含至少一种固体碳材料的分散体，其中至少一种固体碳材料根据本文所述的任何方法来生产。固体碳材料和液体如通篇所述。在一些实施方案中，分散体可描述为稳定的，使得在常温常压(NTP)和暴露于空气下，固体碳材料颗粒保持分散在分散体中，并且在规定的时间段内(例如，至少1小时、至少2小时、至少3小时、至少5小时、至少12小时、至少24小时、至少36小时、至少48小时或至少1周)，不从分散体的液体中沉降或沉淀出。

贯穿以下描述，描述流体动力学空化反应器和使用流体动力学空化反应器的方法。从前述显然的是，本文使用和描述的流体动力学空化反应器是与本文公开的用于制造和功能化固体碳材料的方法相容的气液传质反应器的子集。

可用于本文公开的方法的示例性流体动力学空化反应器100的一部分示于图1中。根据本文的某些实施方案，流体动力学空化反应100是用于制造固体碳材料的示例性反应器。流体动力学空化反应器100包括预空化室102，其内部容积对应于预空化区104。预空化室102可操作地连接至孔板106。孔板106包括具有孔口区108的孔口110。孔板106可操作地连接至空化室112。空化室112的内部容积对应于空化区114。预空化室102、孔板106和空化室112之间的可操作连接允许输送到预空化室102的预空化区104的液体120从预空化区104通过孔口110的孔口区108流动到空化室112的空化区114中，如液体流动方向箭头122(I)和122(II)所示。与液体120从孔口区108过渡到空化区114相关的突然压力变化导致在空化气泡成核区116处形成空化气泡118。空化区114、包括空化气泡成核区116，对应于反应器的“反应区”。空化区114包含空化气泡成核区116。例如，空化气泡立即在孔口110和空化室112之间的界面处成核。流体动力学空化反应器100还包括气体输送管124(I)和124(II)，用于将气体126输送到空化区114中，例如直接输送到空化气泡成核区116中。气流方向箭头128(I)和128(II)表示气体输送方向。任选地，反应器100包括一根气体输送管或多于两根气体输送管。任选地，反应器100包括多于一个孔口110。可用于本文公开的方法的流体动力学空化反应器可以具有其他构造，包括本领域已知的流体动力学空化反应器的特征和构造。

本文包括在流体动力学空化反应器的空化云中原位产生碳材料的方法，而无需起始碳材料(例如，石墨材料)。这通过在形成空化气泡的空化孔口的背面(例如，出口)注入气体来实现。这本质上是增材制造工艺，其中形成和积累新碳材料。碳材料的类型、体积、尺寸和容积由溶剂、气体、运行时间、气体压力、流体流量和/或孔口配置的选择共同确定。气体进料反应器也可用起始石墨材料来实现以形成其他材料或从现有石墨烯中除去物理缺陷。该工艺还可使用各种气体来实现石墨烯、六方硼或其他类碳材料的功能化。与常规工艺相比，本文公开的方法可花费几分钟甚至几秒而不是几小时，成本低，使用最少的不良化学品，使用更少能量，和/或高度可扩展。

流体动力学空化反应器产生空化云，其是产生各种化学反应和物理反应的特殊环境。当在高压下液体通过限制(例如孔口)时，压力突然下降时产生空化云。空化云由孔口出口处形成的数百万个微气泡组成。空化气泡经过3个阶段：1)气泡形成，2)非常快速的气泡压缩，从而产生短暂的局部热点，和3)气泡破裂，从而产生大量能量。实验结果表明，当空化气泡破裂时，它们产生约5000K的内部温度，大约14,700psi的压力，以及高于1010K/s的加热速率和冷却速率。这些温度和压力变化持续不到几纳秒，发生在空化云的数百万个位置处(参见例如，Understanding Hydrodynamic Cavitation Report.Available from:https://www.researchgate.net/publication/314034417_Understanding_Hydrodynamic_Cavitation_Report；last accessed Jun 28 2018)。这些强烈的微反应器条件是在环境条件(对应于整体温度)下进行的。相比之下，在传统反应器中产生如此高温高压的环境成本会非常高。

发现当碳流体本身或与夹带的碳气体结合时，经受流体动力学空化或剪切或流体动力学空化和剪切的组合，原位形成碳材料(例如，类石墨烯材料)。该方法特别包括将高碳气体注入到非常靠近形成空化气泡的位置，即在孔的背面的高碳流体中。如本文所用，孔口的“背面”对应于关于液体流过其中的孔口的出口点，或换言之，对应于孔口的面向空化室或其间界面的一侧。

也可在孔口之前(例如，在预空化室中，在孔口和预空化室之间的界面处/附近，和/或在孔口进入空化室的入口处)注入气体，但碳的形成要少得多。不希望受任何特定理论的束缚，认为在形成空化气泡的地方浓缩气体可使气体在空化云中的分散最大化，这进而促进碳材料的形成。

将气体引入流体动力学空化反应器的常规方法是在空化孔口之前鼓泡或注入气体，从而产生夹带(吸附或溶解)气体。发现在孔口之前引入气体的传统方法不支持吸附的气体。使流体通过孔口实际上从流体中除去气体。用于使流体脱气的常规流体动力学空化反应器证实这一点。

当使用将乙炔鼓泡到乙醇中的传统方法(即在空化孔口之前)时，形成的类石墨烯材料非常少。相比之下，当气体直接注入空化云时，孔口后面形成大量石墨烯。

此外，由于碳材料是原位制造的，因此可消除制造石墨烯粉末然后将粉末重新分散到液体中的两步工艺。例如，碳片晶可形成并且保留在液体(例如，矿物油或丙二醇)中。

与再分散石墨烯粉末相关的问题是传统上难以产生胶体分散体。这是因为石墨烯粉化的行为正好在石墨烯板之间产生范德华键，从而导致石墨烯片晶重新堆叠。将粉末重新分散在另一种流体中通常需要一定形式的剪切、超声处理或流体动力学空化。即便如此，也很难实现类纳米胶体分散体。在石墨烯不能留在含碳流体中的应用中，石墨烯材料可以通过过滤或离心回收。

通过以下实施方案进一步说明本发明。

(实施方案1)一种制备固体碳材料的方法，其包括：将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到空化反应器中；在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到空化反应器的空化区中；从而制造包含分散在液体中的碳材料的分散体形式的碳材料。

(实施方案2)根据实施方案1所述的方法，其中空化反应器是流体动力学空化反应器、剪切反应器、超声空化反应器或多功能反应器。

(实施方案3)根据实施方案2所述的方法，其中空化反应器包括流体动力学空化和剪切；或其中空化反应器包括超声空化和剪切。

(实施方案4)根据实施方案2所述的方法，其中空化反应器包括流体动力学空化和转子定子反应器；或其中空化反应器包括超声空化和转子定子反应器。

(实施方案5)根据实施方案2所述的方法，其中空化反应器包括转子定子反应器、台式剪切反应器、高速剪切反应器、流体动力学空化反应器、孔板反应器、旋转填充床反应器、旋转盘反应器、撞击流反应器、超音速气固反应器、超声反应器、探针超声反应器、剪切混合反应器或这些的组合。

(实施方案6)根据实施方案1至5中任一项所述的方法，其中输送气体包括夹带气体、注入气体或这些方式的组合。

(实施方案7)根据实施方案6所述的方法，其中气体夹带在液体中。

(实施方案8)根据实施方案6所述的方法，其中气体注入液体中。

(实施方案9)根据实施方案8所述的方法，其中气体鼓泡到液体中。

(实施方案10)根据实施方案1至9中任一项所述的方法，其中在输送气体的步骤期间将气体直接输送到空化区中。

(实施方案11)根据实施方案1至10中任一项所述的方法，其中形成空化气泡的步骤和输送气体的步骤同时或几乎同时进行。

(实施方案12)根据实施方案1至11中任一项所述的方法，其中在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到空化气泡成核区中或空化气泡成核区的1mm以内，空化气泡成核区对应于在形成步骤期间流体动力学空化反应中空化气泡的成核。

(实施方案13)根据实施方案1至12中任一项所述的方法，形成步骤包括形成空化云，空化云包括在反应器的空化区域中的空化气泡，其中气体直接输送到空化云的内部或空化云的1mm以内。

(实施方案14)根据实施方案1至13中任一项所述的方法，其中分散体形成在反应器的空化区中。

(实施方案15)根据实施方案1至14中任一项所述的方法，形成步骤包括形成包含空化气泡的空化云；其中碳材料形成在空化云中。

(实施方案16)根据实施方案1至15中任一项所述的方法，其中在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含碳材料。

(实施方案17)根据实施方案1至16中任一项所述的方法，其中在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。

(实施方案18)根据实施方案1至17中任一项所述的方法，其中在液体中形成空化气泡后的1分钟内发生碳材料的形成。

(实施方案19)根据实施方案1至18中任一项所述的方法，其中在空化气泡成核区的0.3mm以内的空化气泡成核后的1分钟内发生碳材料成核，同时将气体输送到空化区中。

(实施方案20)根据实施方案1至19中任一项所述的方法，其中空化反应器包括具有预空化区和孔口区的流体动力学空化反应器，其中孔口区介于预空化区和空化区之间；孔口区包含至少一个孔口，使得液体从预空化区通过至少一个孔口流动至空化区；其中至少一个孔口的每一个的特征在于孔口直径小于预空化区的直径。

(实施方案21)根据实施方案20所述的方法，其中将气体直接输送到至少一个孔口的空化端或至少一个孔口的端部的1mm以内；至少一个孔口的空化端是距离空化反应器的空化区最近的至少一个孔口的一端。

(实施方案22)根据实施方案1至21中任一项所述的方法，还包括终止将气体输送到空化区中的步骤；其中在终止步骤后碳材料的尺寸特征增加。

(实施方案23)根据实施方案22所述的方法，还包括在终止步骤后并且气体不输送到空化区中的同时，将分散体在空化区中保留小于或等于60分钟的时间；其中在保留步骤期间，碳材料的尺寸特征增加。

(实施方案24)根据实施方案23所述的方法，其中在将分散体保留在空化区的步骤期间和终止步骤之后并且在不将气体输送到空化区中的同时，方法还包括对分散体进行脱气以降低其中夹带的气体浓度的步骤。

(实施方案25)根据实施方案22至24中任一项所述的方法，其中在终止步骤后并且气体不输送到空化区中的同时，分散体中碳材料的浓度基本上恒定。

(实施方案26)根据实施方案1至25中任一项所述的方法，还包括从固体或粉末形式的分散体中回收固体碳材料，回收步骤包括过滤、真空过滤、溶剂蒸发、离心或其任何组合。

(实施方案27)根据实施方案1至26中任一项所述的方法，液体中至少一种液态有机化合物的浓度为1质量％至100质量％。

(实施方案28)根据实施方案27所述的方法，分散体中固体碳材料的浓度是0.0025质量％至7质量％。

(实施方案29)根据实施方案1至28中任一项所述的方法，至少一种液态有机化合物选自单体、低聚物、预聚物、聚合物、有机溶剂及其任何组合。

(实施方案30)根据实施方案1至29中任一项所述的方法，至少一种液态有机化合物选自甲醇、乙醇、异丙醇、甲基吡咯烷酮、d-环戊二烯、己烷、苯、甲苯、庚烷、二甲苯、二甲亚砜、矿物油、机油、MOBILE 1^TM机油、Syn 530机油、AMSOIL^TM、NonSyn、QUAKER STATE^TM 530、基础油、氢化蓖麻油、传动油、齿轮油、植物油、烃类基础油、加成油、非加成油(例如，高碳油(HCO))、煤油、柴油、乙二醇、丙二醇、二甘醇、三乙胺、三甲胺、戊烷、环戊烷、环己烷、1,4-二

烷、氯仿、乙醚、二氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、丙酮、二甲基甲酰胺、乙腈、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、甲酸、丁醇、丙醇、乙酸、十八碳烯、油酸、油胺、辛烷、二甘醇醚、1,2-二氯苯、乙酸甲酯、四氯乙烯、二苯基硫脲、六氟-2-丙醇、肉桂酸、三甲胺、苯硫醇、乙硫醇、乙二硫醇、4-氨基苯硫醇、丙烯酸、二硫化碳、1,2-二氯苯、N-甲基-2-吡咯烷酮及其任何组合。

(实施方案31)根据实施方案1至30中任一项所述的方法，气态有机化合物选自甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、1,3-丁二烯、丁烷及其任何组合。

(实施方案32)根据实施方案1至31中任一项所述的方法，其中液体的特征在于整体温度是小于400℃。

(实施方案33)根据实施方案1至32中任一项所述的方法，其中气体的特征在于整体温度是小于400℃。

(实施方案34)根据实施方案1至33中任一项所述的方法，其中液体的特征在于在空化反应器的空化区中流速为5L/min至200L/min。

(实施方案35)根据实施方案1至34中任一项所述的方法，其中在空化反应器的空化区中在特征在于压力为2psi至150psi的压力下注入气体。

(实施方案36)根据实施方案1至35中任一项所述的方法，其中空化区中的压力为10psi至5000psi。

(实施方案37)根据实施方案1至36中任一项所述的方法，其中空化反应器包含转子定子并且其中在空化反应器的空化区中，转子定子以使用200rpm至14000rpm的转速操作。

(实施方案38)根据实施方案1至37中任一项所述的方法，其中空化反应器中的液体停留时间为0.05秒至20秒。

(实施方案40)根据实施方案1至38中任一项所述的方法，其中方法执行的处理时间是1分钟至60分钟。

(实施方案41)根据实施方案1至39中任一项所述的方法，其中空化反应器包括超声反应器，并且其中超声反应器以20kHz至300kHz的超声波频率和10％至100％的振幅范围操作。

(实施方案42)根据实施方案1至40中任一项所述的方法，其中当在其他等同步骤和条件下执行该方法而没有输送气体的步骤时，制备不出碳材料。

(实施方案43)根据实施方案1至41中任一项所述的方法，其中分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+40mV或小于-160mV。

(实施方案44)根据实施方案1至42中任一项所述的方法，其中分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+40mV或小于-40mV。

(实施方案45)根据实施方案1至43中任一项所述的方法，其中分散体中固体碳材料的碳浓度(原子浓度)为92质量％至99质量％。

(实施方案45)根据实施方案1至44中任一项所述的方法，其中分散体是胶体、悬浮液或其组合。

(实施方案46)根据实施方案1至45中任一项所述的方法，碳材料包含石墨烯、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料或其任何组合。

(实施方案47)根据实施方案46所述的方法，其中复合材料包含硫和石墨烯或包含六方氮化硼和石墨烯。

(实施方案48)根据实施方案1至47中任一项所述的方法，碳材料包含石墨烯。

(实施方案49)根据实施方案48所述的方法，碳材料是石墨烯。

(实施方案50)根据实施方案1至49中任一项所述的方法，碳材料包括石墨烯-聚合物纳米复合材料。

(实施方案51)根据实施方案46至50中任一项所述的方法，石墨烯是波纹石墨烯、皱褶石墨烯、带孔石墨烯或其任何组合。

(实施方案52)根据实施方案1至51中任一项所述的方法，其中碳材料的特征在于氧含量是7原子％或少于7原子％。

(实施方案53)根据实施方案1至52中任一项所述的方法，还包括使用碳材料或分散体来减少摩擦。

(实施方案54)根据实施方案53所述的方法，其中分散体减少摩擦系数至少5％。

(实施方案55)根据实施方案53或54所述的方法，其中分散体用于减少摩擦，而无需清洁碳材料或从分散体中分离碳材料。

(实施方案56)根据实施方案1至55中任一项所述的方法，还包括使用固体碳材料或分散体来增强电池阳极和/或电池阴极。

(实施方案57)根据实施方案1至56中任一项所述的方法，还包括使碳材料功能化以提供功能化碳材料。

(实施方案58)根据实施方案1至57中任一项所述的方法，其中分散体是第一分散体，碳材料是前驱体材料，空化反应器是第一空化反应器；所述方法还包括：将第一分散体输送到第二空化反应器中；在第二空化反应器的空化区内的第一分散体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体直接输送到第二空化反应器的空化区中；从而将前驱体材料转化成第二碳材料，第二碳材料是包含分散在液体中的第二碳材料的第二分散体形式；其中前驱体材料与第二碳材料不同。

(实施方案59)根据实施方案58所述的方法，其中第一流体动力学空化反应器和第二流体动力学空化反应器相同。

(实施方案60)一种用于使分散在液体中的材料功能化的方法，分散在液体中的材料是第一分散体，其中所述方法包括以下步骤：将第一分散体输送到空化反应器中，其中液体包括至少一种液态有机化合物；在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将包含至少一种气态有机化合物的气体直接输送到空化反应器的空化区中；从而使材料功能化以形成第二分散体，第二分散体包含分散在液体中的功能化材料。

(实施方案61)根据实施方案60所述的方法，其中使材料功能化包括使材料化学地功能化、物理地功能化或化学地和物理地功能化。

(实施方案62)根据实施方案60或实施方案61所述的方法，材料包括石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。

(实施方案63)根据实施方案60至62中任一项所述的方法，功能化材料包含氧化石墨烯。

(实施方案64)根据实施方案60至63中任一项所述的方法，其中功能化包括向材料加入氧原子、从材料中除去氧原子、向材料加入氮原子、向材料加入硫原子或其组合。

(实施方案65)根据实施方案60至64中任一项所述的方法，其中气体包含氧气、水蒸气、氢气、氮气、二氧化硫、CO₂或其任何组合。

(实施方案66)一种功能化材料，其通过根据实施方案60至65中任一项所述的方法制备。

本发明通过以下其他实施方案进一步说明：

(实施方案101)一种制备固体碳材料的方法，其包括：将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到反应器的反应区中；将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到反应器的反应区中；引起至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物之间的化学反应，其中：化学反应发生在反应器的反应区中；固体碳材料通过反应来制备；固体碳材料在反应期间以分散体的形式来制备，分散体包含分散在液体中的固体碳材料；化学反应是均相反应，包括固体碳材料在反应器的反应区中的均相成核。

(实施方案102)根据实施方案101所述的方法，其中化学反应包括气液传质。

(实施方案103)根据实施方案101至102中任一项所述的方法，其中气体的组成不同于液体的组成。

(实施方案104)根据实施方案101至103中任一项所述的方法，其中至少一种气态化合物的组成不同于至少一种液态有机化合物的组成。

(实施方案105)根据实施方案101至104中任一项所述的方法，其中化学反应不发生在催化剂上或催化剂处。

(实施方案106)根据实施方案101至105中任一项所述的方法，其中方法不包括在固体衬底上使固体碳材料异相成核。

(实施方案107)根据实施方案101至106中任一项所述的方法，其中输送液体的步骤通过第一输入流进入反应区来进行，输送气体的步骤通过第二输入流进入反应区来进行；其中第一流路径和第二输入流不同并且物理上分开。

(实施方案108)根据实施方案101至107中任一项所述的方法，其中输送液体的步骤和输送气体的步骤并行地进行。

(实施方案109)根据实施方案101至107中任一项所述的方法，其中输送气体的步骤在将液体输送到反应区之后进行。

(实施方案110)根据实施方案101至109中任一项所述的方法，其中当存在于所述反应区中时，所述固体碳材料保持分散在所述液体中。

(实施方案111)根据实施方案101至110中任一项所述的方法，其中在输送液体的步骤期间以及输送气体和引发化学反应的步骤之前，液体基本上不含固体碳材料。

(实施方案112)根据实施方案101至111中任一项所述的方法，其中在输送液体的步骤期间以及输送气体和引发化学反应的步骤之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。

(实施方案113)根据实施方案101至112中任一项所述的方法，其中固体碳材料仅在反应器的反应区中形成。

(实施方案114)根据实施方案101至113中任一项所述的方法，其中当在其他等同步骤和条件下进行方法而没有输送气体的步骤时，制备不出固体碳材料。

(实施方案115)根据实施方案101至114中任一项所述的方法，其中输送气体包括夹带气体、注入气体或这些方式的组合。

(实施方案116)根据实施方案115所述的方法，其中在压力下气体夹带在液体中。

(实施方案117)根据实施方案115所述的方法，其中气体注入液体中。

(实施方案118)根据实施方案115所述的方法，其中气体鼓泡到液体中。

(实施方案119)根据实施方案101至18中任一项所述的方法，其中在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到反应区中。

(实施方案120)根据实施方案101至119中任一项所述的方法，其中输送气体的步骤和引发化学反应的步骤同时或几乎同时进行。

(实施方案121)根据实施方案101至120中任一项所述的方法，其中至少一种液态有机化合物和至少一种气态有机化合物同时存在于反应区中。

(实施方案122)根据实施方案101-121中任一项所述的方法，其中反应器包含搅拌釜反应器、涡轮反应器、整体式反应器、泡沫反应器、转子定子反应器、台式剪切反应器、高速剪切反应器(例如，Charles Ross HSM-700)、流体动力学空化反应器、孔板反应器、管式旋转反应器、旋转填充床反应器、Z字形旋转反应器、流化床反应器、Taylor-Couette反应器、管中管反应器、旋转盘反应器、撞击流反应器、超音速气固反应器、超声反应器、探针超声反应器、微波辐射反应器、冲击波反应器(例如，SHOCKWAVE POWER^TM反应器(SPR))、连续流动反应器(例如，RAPTOR^TM反应器)、剪切混合反应器或这些的组合。

(实施方案123)根据实施方案101至122中任一项所述的方法，其中引发化学反应的步骤包括在液体中引发剪切力。

(实施方案124)根据实施方案123所述的方法，其中反应器是包含搅拌器的搅拌釜反应器；并且其中搅拌器在液体中引发剪切力。

(实施方案125)根据实施方案124所述的方法，其中搅拌器选自气体诱导搅拌器、Rushton搅拌器/涡轮、整体式搅拌器、螺旋搅拌器、板或径向扁平叶片叶轮、轴螺旋桨、斜叶片、涡轮涡流搅拌器、一个轴上的多个搅拌器以及这些的任何组合。

(实施方案126)根据实施方案125所述的方法，其中搅拌器是气体诱导搅拌器。

(实施方案127)根据实施方案124至126中任一项所述的方法，其中搅拌器的特征在于转速为200rpm至14000rpm。

(实施方案128)根据实施方案124至127中任一项所述的方法，其中引发化学反应的步骤包括搅动或搅拌反应区内的液体和气体。

(实施方案129)根据实施方案123至128中任一项所述的方法，其中反应器区域内的压力为6巴(约87psi)至150巴(约2175psi)。

(实施方案130)根据实施方案中123至129任一项所述的方法，其中反应区内的温度为20℃至250℃。

(实施方案131)根据实施方案101至122中任一项所述的方法，其中：反应器是空化反应器；反应区是空化反应器的空化区；方法包括在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡。

(实施方案132)根据实施方案131所述的方法，其中空化反应器是流体动力学空化反应器、剪切反应器、超声空化反应器或多功能反应器。

(实施方案133)根据实施方案132所述的方法，其中空化反应器包括流体动力学空化和剪切；或其中空化反应器包括超声空化和剪切。

(实施方案134)根据实施方案132所述的方法，其中空化反应器包括流体动力学空化和转子定子反应器；或其中空化反应器包括超声空化和转子定子反应器。

(实施方案135)根据实施方案132所述的方法，其中空化反应器包括转子定子反应器、台式剪切反应器、高速剪切反应器、流体动力学空化反应器、孔板反应器、旋转填充床反应器、旋转盘反应器、撞击流反应器、超音速气固反应器、超声反应器、探针超声反应器、微波辐射反应器、冲击波反应器、剪切混合反应器或这些的组合。

(实施方案136)根据实施方案131至135中任一项所述的方法，其中在输送气体的步骤期间将气体直接输送到空化区中。

(实施方案137)根据实施方案131至136中任一项所述的方法，其中形成空化气泡的步骤和输送气体的步骤同时或几乎同时进行。

(实施方案138)根据实施方案131至137中任一项所述的方法，其中在输送气体的步骤期间，将气体直接输送到空化气泡成核区中或空化气泡成核区的1mm以内，空化气泡成核区对应于在形成步骤期间水流体动力学空化反应中空化气泡的成核。

(实施方案139)根据实施方案131至138中任一项所述的方法，形成步骤包括形成空化云，空化云包括在反应器的空化区域中的空化气泡，其中气体直接输送到空化云的内部或空化云的1mm以内。

(实施方案140)根据实施方案131至139中任一项所述的方法，形成步骤包括形成包含空化气泡的空化云；其中碳材料形成在空化云中。

(实施方案141)根据实施方案131至140中任一项所述的方法，其中在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含碳材料。

(实施方案142)根据实施方案131至141中任一项所述的方法，其中在输送液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。

(实施方案143)根据实施方案131至142中任一项所述的方法，其中在液体中形成空化气泡后的1分钟内发生碳材料的形成。

(实施方案145)根据实施方案131至143中任一项所述的方法，其中在空化气泡成核区的0.3mm以内的空化气泡成核后的1分钟内发生碳材料成核，同时将气体输送到空化区中。

(实施方案146)根据实施方案131至144中任一项所述的方法，其中空化反应器包括具有预空化区和孔口区的流体动力学空化反应器，其中孔口区介于预空化区和空化区之间；孔口区包含至少一个孔口，使得液体从预空化区通过至少一个孔口流动至空化区；其中至少一个孔口的每一个的特征在于孔口直径小于预空化区的直径。

(实施方案146)根据实施方案145所述的方法，其中将气体直接输送到至少一个孔口的空化端或至少一个孔口的端部的1mm以内；至少一个孔口的空化端是距离空化反应器的空化区最近的至少一个孔口的一端。

(实施方案147)根据实施方案131至146中任一项所述的方法，还包括终止将气体输送到空化区中的步骤；其中在终止步骤后碳材料的尺寸特征增加。

(实施方案148)根据实施方案147所述的方法，还包括在终止步骤后并且气体不输送到空化区中的同时，将分散体在空化区中保留小于或等于60分钟的时间；其中在保留步骤期间，碳材料的尺寸特征增加。

(实施方案149)根据实施方案148所述的方法，其中在将分散体保留在空化区的步骤期间和终止步骤之后并且在不将气体输送到空化区中的同时，方法还包括对分散体进行脱气以降低其中夹带的气体浓度的步骤。

(实施方案150)根据实施方案147至149中任一项所述的方法，其中在终止步骤后并且气体不输送到空化区中的同时，分散体中碳材料的浓度基本上恒定。

(实施方案151)根据实施方案101至50中任一项所述的方法，还包括从固体或粉末形式的分散体中回收固体碳材料，回收步骤包括过滤、真空过滤、溶剂蒸发、离心或其任何组合。

(实施方案152)根据实施方案101至121中任一项所述的方法，其中液体中至少一种液态有机化合物的浓度为0.01质量％至100质量％。

(实施方案153)根据实施方案101至152中任一项所述的方法，至少一种液态有机化合物选自单体、低聚物、预聚物、聚合物、有机溶剂及其任何组合。

(实施方案154)根据实施方案101至153中任一项所述的方法，至少一种液态有机化合物选自甲醇、乙醇、异丙醇、甲基吡咯烷酮、d-环戊二烯、己烷、苯、甲苯、庚烷、二甲苯、二甲亚砜、矿物油、机油、MOBILE 1^TM机油、Syn530机油、AMSOIL^TM、NonSyn、QUAKER STATE^TM530、基础油、氢化蓖麻油、传动油、齿轮油、植物油、烃类基础油、加成油、非加成油(例如，高碳油(HCO)、煤油、柴油、乙二醇、丙二醇、二甘醇、三乙胺、三甲胺、戊烷、环戊烷、环己烷、1,4-二

烷、氯仿、乙醚、二氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、丙酮、二甲基甲酰胺、乙腈、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、甲酸、丁醇、丙醇、乙酸、十八碳烯、油酸、油胺、辛烷、二甘醇醚、1,2-二氯苯、乙酸甲酯、四氯乙烯、二苯基硫脲、六氟-2-丙醇、肉桂酸、三甲胺、苯硫醇、乙硫醇、乙二硫醇、4-氨基苯硫醇、丙烯酸、二硫化碳、1,2-二氯苯、N-甲基-2-吡咯烷酮及其任何组合。

(实施方案155)根据实施方案101至154中任一项所述的方法，其中液体包括水。

(实施方案156)根据实施方案101至155中任一项所述的方法，气态有机化合物选自甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、1,3-丁二烯、丁烷及其任何组合。

(实施方案157)根据实施方案101至156中任一项所述的方法，其中液体的特征在于整体温度小于400℃。

(实施方案158)根据实施方案101至157中任一项所述的方法，其中液体的特征在于整体温度是20℃或高于20℃。

(实施方案159)根据实施方案101至158中任一项所述的方法，其中气体的特征在于整体温度小于400℃。

(实施方案160)根据实施方案101至159中任一项所述的方法，其中气体的特征在于整体温度是20℃或高于20℃。

(实施方案161)根据实施方案101至160中任一项所述的方法，其中液体的特征在于在空化反应器的空化区中流速为5L/min至200L/min。

(实施方案162)根据实施方案101至161中任一项所述的方法，其中在特征在于压力为2psi至150psi的压力下在反应器的反应区中注入气体。

(实施方案163)根据实施方案101至162中任一项所述的方法，其中反应区中的压力为10psi至5000psi。

(实施方案164)根据实施方案101至163中任一项所述的方法，其中反应器包括转子定子并且其中在反应器的反应区中，转子定子在使用如下的旋转速度下操作：200rpm至14000rpm。

(实施方案165)根据实施方案101至064中任一项所述的方法，其中反应区中的液体停留时间为1分钟至60分钟。

(实施方案166)根据实施方案101至165中任一项所述的方法，其中方法执行的处理时间是1分钟至60分钟。

(实施方案167)根据实施方案101至166中任一项所述的方法，其中反应器包含超声反应器，并且其中超声反应器以20kHz至300kHz的超声波频率和10％至100％的振幅范围操作。

(实施方案168)根据实施方案101至167中任一项所述的方法，其中分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+40mV或小于-160mV。

(实施方案169)根据实施方案101至168中任一项所述的方法，其中分散体或散体中的碳材料的特征在于ζ电位大于+40mV或小于-40mV。

(实施方案170)根据实施方案101至169中任一项所述的方法，分散体中固体碳材料的浓度是0.0025质量％至7质量％。

(实施方案171)根据实施方案101至170中任一项所述的方法，其中分散体是胶体、悬浮液、溶胶或其组合。

(实施方案172)根据实施方案101至171中任一项所述的方法，其中固体碳材料包含石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。

(实施方案173)根据实施方案172所述的方法，其中复合材料包含硫和石墨烯或包含六方氮化硼和石墨烯。

(实施方案174)根据实施方案101至172中任一项所述的方法，碳材料包括石墨烯或类石墨烯材料。

(实施方案175)根据实施方案172所述的方法，碳材料是石墨烯或类石墨烯材料。

(实施方案176)根据实施方案101至172中任一项所述的方法，碳材料包括石墨烯-聚合物纳米复合材料。

(实施方案177)根据实施方案172至176中任一项所述的方法，石墨烯是波纹石墨烯、皱褶石墨烯、带孔石墨烯或其任何组合。

(实施方案178)根据实施方案101至177中任一项所述的方法，其中碳材料的特征在于氧含量小于7原子％。

(实施方案179)根据实施方案101至178中任一项所述的方法，其中分散体的特征在于摩擦系数相对于不含固体碳材料的相同液体降低至少5％。

(实施方案180)根据实施方案101至179中任一项所述的方法，其中分散体的特征在于磨痕相对于不含固体碳材料的相同液体减少至少3％。

(实施方案181)根据实施方案101至180中任一项所述的方法，还包括使用固体碳材料或分散体来减少摩擦。

(实施方案182)根据实施方案101至181中任一项所述的方法，包括原位摩擦减少。

(实施方案183)根据实施方案181或182所述的方法，其中分散体用于减少摩擦，而无需清洁固体碳材料或从分散体中分离固体碳材料。

(实施方案184)根据实施方案101至180中任一项所述的方法，还包括使用固体碳材料或分散体来增强电池阳极和/或电池阴极。

(实施方案185)根据实施方案101至184中任一项所述的方法，其还包括将固体碳材料功能化以提供功能化固体碳材料。

(实施方案186)根据实施方案101至185中任一项所述的方法，其中分散体是第一分散体，化学反应是第一化学反应，固体碳材料是前驱体材料，气体是第一气体，反应器是第一反应器；所述方法还包括：将第一分散体输送到第二反应器中；将包含至少一种气态有机化合物的第二气体直接输送到第二反应器的反应区中；和在第二反应器的反应区中引发第二化学反应；其中第二化学反应将前驱体材料转化成第二固体碳材料；第二碳材料分散在液体中；前驱体材料与第二碳材料不同。

(实施方案187)根据实施方案186所述的方法，其中第二反应器是空化反应器，并且引发步骤包括在第二反应器的反应区内的第一分散体中形成空化气泡。

(实施方案188)根据实施方案186至187中任一项所述的方法，其中第一反应器和第二反应器相同。

(实施方案189)一种用于使分散在液体中的第一固体碳材料功能化的方法，分散在液体中的第一固体碳前驱体材料是第一分散体，其中方法包括以下步骤：将第一分散体输送进入反应器的反应区中，其中液体包括至少一种液态有机化合物；将气体输送到反应器的反应区中；和引发功能化化学反应，其中功能化化学反应使得由第一碳材料形成第二碳材料；功能化化学反应发生在反应器的反应区中；在形成第二分散体的反应期间制备第二固体碳材料，第二分散体包含分散在液体中的第二固体碳材料。

(实施方案190)根据实施方案189所述的方法，其中功能化化学反应包括使第一固体碳材料化学地功能化、物理地功能化或化学地和物理地功能化。

(实施方案191)根据实施方案189或实施方案190所述的方法，其中第一固体碳材料包含氧化石墨烯、石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。

(实施方案192)根据实施方案189至191中任一项所述的方法，其中第二固体碳材料包含还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、边缘氧化石墨烯、石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。

(实施方案193)根据实施方案189至192中任一项所述的方法，其中第一固体碳材料包含氧化石墨烯，第二固体碳材料包含还原氧化石墨烯。

(实施方案194)根据实施方案193所述的方法，其中第二碳材料中的氧的原子百分比比第一碳材料中的氧的原子百分比小至少50％。

(实施方案195)根据实施方案189-192中任一项所述的方法，其中功能化化学反应包括氧化第一固体碳材料，使得第二固体碳材料可溶于水中。

(实施方案196)根据实施方案195所述的方法，其中液体包含水和第二分散体是第二碳材料在水中的水性分散体。

(实施方案197)根据实施方案189至196中任一项所述的方法，其中功能化化学反应包括向第一固体碳材料加入氧原子、从第一固体碳材料除去氧原子、向第一固体碳材料加入碳原子、向第一固体碳材料加入氮原子、向第一固体碳材料加入硫原子或其组合。

(实施方案198)根据实施方案189至197中任一项所述的方法，其中气体包括氧气、水蒸气、氢气、氮气、二氧化硫、CO₂、臭氧或其任何组合。

(实施方案199)根据实施方案189至198中任一项所述的方法，其中：反应器是空化反应器和反应区是空化区；方法包括在空化反应器的空化区内的液体中形成空化气泡；和将气体直接注入空化区。

(实施方案200)根据实施方案189至199中任一项所述的方法，其中在功能化化学反应期间第一固体碳材料不与固体衬底化学结合。

(实施方案201)根据实施方案1至200中任一项所述的方法，其中气体包含至少一种气态有机化合物。

(实施方案202)根据实施方案189至200中任一项所述的方法，气态有机化合物选自烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、杂环烷烃、芳烃、杂芳烃及其组合，其中烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、杂环烷烃、芳烃或杂芳烃可以任选地被一个或多于一个取代基取代。

(实施方案203)根据实施方案189至202中任一项所述的方法，其中至少一种气态有机化合物选自甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、1,3-丁二烯、丁烷及其任何组合。

(实施方案204)一种功能化材料，其通过根据实施方案189至203中任一项所述的方法制备。

以下实施例进一步说明本发明，但当然不应解释为以任何方式限制其范围。

实施例1

本实施例表明使用流体动力学空化反应器在液体中制备一种或多于一种碳材料的方法。更具体地说，该实施例提供在流体动力学空化反应器的空化云中合成碳材料的方法。方法的一个示例性实施方案包括：(a)使高碳液体(包含有机化合物的液体)流动通过流体动力学空化反应器，然后(b)在空化气泡开始时在空化孔口的背面引入高碳气体(包含有机化合物的气体)。数秒之内，开始在空化云中形成类石墨烯材料。(c)在预定时间之后，停止气体流动，其阻碍气体合成材料的继续形成。气体压力和流动时间决定了初始石墨烯片晶的厚度和尺寸。(d)作为一种选择，含有类石墨烯材料的液体可以再循环一段时间(例如，15分钟)。在这段另外循环时间内，由于夹带的气体，碳材料继续生成。发现在孔板背面(例如，出口)上引入的夹带气体与孔口之前注入的夹带气体表现不同；具体来说，孔后气体不如孔前注入气体那样容易脱气。事实证明，当气体鼓泡或直接注入时，在孔口之前，形成最少的碳材料。然而，如果液体与孔后诱导气体一起循环(而没有气体注入)，则有另外积聚的碳材料。

停止输送气体并且继续在空化区内循环分散后，可任选地对液体进行脱气。通过脱气，分散体中碳材料颗粒所经受的剪切力可导致颗粒的一个或多于一个尺寸特征的减小。在不脱气的情况下，分散体中碳材料颗粒所经受的剪切力可导致分散体中碳材料的一种或多于一个尺寸特性的增加(例如，更大和/或更厚的石墨烯片晶)。例如，增加的剪切力可以使石墨烯片晶更小。在分散体暴露于剪切力或增加的剪切力期间，液体中夹带的气体可使较小的片晶变薄。降低夹带气体的浓度(例如，通过脱气)可防止在这种情况下片晶变稠(即，在不输送气体的情况下将分散体保留在空化区中)。

实施例2

该实施例表明使用流体动力学空化反应器使一种或多于一种材料例如碳材料功能化的方法。例如，本实施例的方法可用于功能化石墨烯。可对通过本文所述的方法制备的碳材料或通过其他方法制备的碳材料进行功能化。这种功能化的实例包括：1)修复物理缺陷，2)用各种气体进行化学功能化，和3)物理功能化(例如，改变石墨烯的形态)。

修复缺陷：修复石墨烯片晶上的物理缺陷一直是生产原始石墨烯的更大挑战之一。“修复”石墨烯缺陷的传统方法是使用CVD(化学气相沉积)将富含碳的气体(例如乙烯)注入石墨烯片晶中。气体中的碳有效地填补缺陷。然而，CVD工艺不容易扩展。

本文所述方法可用于向石墨烯添加碳以修复或修补石墨烯缺陷。这可通过如下证明：形成高度有缺陷的石墨烯，并且然后使其功能化以使用高碳气体修理/修复/修补缺陷。例如，高缺陷石墨烯如下制备：从氧化石墨烯开始，并且然后通过将氧化石墨烯经受苛刻的化学品(例如，硼氢化钠、硫酸)和极高的温度(例如，1100℃)中来还原石墨烯上的氧。这产生高度缺陷的还原氧化石墨烯(rGO)，然后将其分散在乙醇中。分散体然后通过流体动力学空化反应器进行循环，同时将乙炔注入孔口背面的空化云中。乙炔气体“修补”有缺陷的石墨烯中的空位，这可通过过滤球上“修补的”石墨烯的导电性显著增加来证实。参见图2。为了进行比较，使用未处理的高氧GO和脱氧、高度还原的有缺陷的GO制备相似重量的过滤球。如图2所见，三个过滤球之间的电导率存在明显差异：1)未经处理的低氧石墨烯，2)脱氧后的相同石墨烯(即有缺陷)，和3)用乙炔处理的、即在本发明方法的实施方案中“修补的”脱氧石墨烯。

化学功能化：本文公开的方法还可用于通过将各种气体引入空化云中来化学功能化石墨烯和其他碳材料。例如，可向石墨烯分散体中加入氧以产生氧化石墨烯，可加入氩和/或氢以减少石墨烯片晶上的氧，氮可增强石墨烯的润滑性，并且可向石墨烯和其他碳材料中加入二氧化硫。

物理功能化：可使用气体和背压的各种组合来产生例如：波纹石墨烯、皱褶石墨烯或带孔石墨烯。此外，可在不同压力和不同孔口下实施各种气体和溶剂的组合来产生碳纳米管、碳洋葱或其他碳的同素异形体。

实施例3

该实施例中，石墨烯片晶根据本文公开的某些方法形成。图3显示一些类石墨烯片晶的扫描电子显微镜(SEM)图像。图4显示从图3中看到的片晶的两个部分测量的能量色散X射线光谱(EDS)数据。图3的SEM图像中顶部的白色方块和底部的白色方块对应于图4中EDS图像的“光谱5”和“光谱6”数据。从这些石墨烯片晶对应的EDS数据中提取的原子组成总结在表1中。表1中，“C/O”对应于碳与氧原子浓度的比率。

表1

图5A和图5B显示通过本文公开的方法的实施方案制造的示例性类石墨烯片晶的另外图像。

实施例4A

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，使用流体动力学空化制造包括类石墨烯材料在内的碳材料。

参考图6A至图7B，碳材料使用丙烷作为输送的气态有机化合物和甲苯作为液态有机化合物制造。图6A显示微米级石墨烯片晶的SEM图像，其中正方形(标记为“1”和“2”)标识对应于图6B所示EDS光谱的区域(正方形1对应于“光谱1”，正方形2对应于“光谱2”)。图6B显示EDS光谱和表2总结由EDS光谱计算的元素在图6A标识的区域中的材料碳中的原子浓度。

表2

图7A显示微米级石墨烯片晶的SEM图像，其中正方形(标记为“5”和“6”)标识对应于图7B所示EDS光谱的区域(正方形5对应于“光谱5”，正方形6对应于“光谱6”)。图7B显示EDS光谱和表总结了由EDS光谱计算的元素在图7A标识的区域中的碳材料中的原子浓度。该实施例中形成的碳材料，对应于图6A至图7B，具有氧浓度小于1.77原子％或低至0.40％。

该实施例中，使用5mm孔口，注气压力3000psi，方法进行1分钟。

实施例4B

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，包括石墨烯在内的碳材料使用流体动力学空化制造。

参考图8A至图8B，碳材料使用乙炔作为输送的气态有机化合物和液体乙醇作为液态有机化合物制造。该实施例中，液体完全或基本上是有机化合物(乙醇)。图8A至图8B显示碳材料的SEM图像。该实施例中，使用5mm孔口，注气压力3000psi，方法进行5分钟。

流体动力学反应器的其他实例会是：1)冲击波反应器，例如SHOCKWAVE POWER^TM反应器(SPR)(Hydro Dynamics,Inc.,Rome,GA)。当液体通过冲击波反应器时，它进行“受控空化”。装置的核心是专门设计的旋转转子。旋转动作在远离金属表面的转子腔中产生流体动力学空化。空化受到控制，因此没有损坏。随着微观空化气泡的产生和破裂，冲击波被释放到可以加热和/或混合的液体中。2)另一种流体动力学反应器是旋转盘反应器。冲击波反应器是使用旋转盘(通常位于静止表面附近)以离心方式加速流动的装置。在边界层旋转的影响下，其成分激活流动(通常是液体)，以混合、搅拌、剪切、产生空化(真空)并且产生温度变化。主要机制之一是声化学(通过在液体中形成声空化来产生超声波，这导致化学活性)。例如，当水被空化时发生能量爆发，其中包括紫外线、热量和声音，称为冲击波。

实施例5A

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，使用剪切制造碳材料，包括石墨烯。该实施例中，台式剪切混合器、特别是FM300 Fuko台式高剪切系统用作空化反应器，丙烷用作输送的气态有机化合物，MOBILE 1^TM机油用作液体的液态有机化合物。该实施例中，液体完全或基本上是有机化合物(MOBILE 1^TM)。合成方法在30psi气体夹带压力下进行2分钟。流体在单独的压力罐中夹带气体，其中气体以30psi注入。这将气体夹带在液体中。在大气压下，气体不会夹带在润滑油中。注气流速是11mL/min，使用12000rpm的剪切混合器。

图9A显示散射光强度与粒径的关系，图9B显示总结图9A中数据的相应表。数据对应于根据该实施例形成的分散体中的碳材料颗粒。通过动态光散射测量，粒径范围为大约4.4nm至184nm(流体动力学直径)。图10A显示粒径数分布，图10B显示总结对应于根据该实施例制备的碳材料颗粒的分布的表。颗粒主要是结晶的并且为1.5nm至10.8nm。

以下对表征程序的描述适用于实施例5A和实施例5B：

由于与溶剂分子的随机碰撞，悬浮在液体中的颗粒呈布朗运动。这种运动导致颗粒通过介质扩散。根据如下斯托克斯-爱因斯坦方程，扩散系数D与粒径成反比：D＝k_BT3πη₀d，

其中D是扩散常数，k_B是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，η₀是黏度，并且d是球形粒径。

光子相关光谱，有时也称为动态光散射，是用于确定液体中小颗粒扩散系数的技术。系数通过准确测量作为时间函数的颗粒的光散射强度来确定。当感兴趣的颗粒由于布朗运动而扩散通过样品池时，入射激光束照射到颗粒上。颗粒散射光，产生散射强度随时间推移的波动。散射光以选定的角度收集，并且由高灵敏度检测器测量。由于颗粒的扩散速率由它们的大小决定，因此关于它们大小的信息包含在散射光的波动率中。强度波动收集为光子计数并且相关联以生成自相关函数(ACF)。扩散系数通过使用累积量方法拟合ACF来确定，使用斯托克斯-爱因斯坦方程从中获得平均尺寸。

ζ电位：本文所述方法产生ζ电位非常高的结晶颗粒。因此，碳材料颗粒例如石墨烯颗粒在润滑剂中形成非常合适的分散体，例如ζ电位是-63mV。本领域内认识到，具有ζ电位大于+40mV或小于-40mV的胶体分布是非常稳定的。

ζ电位是在围绕悬浮于溶液中的颗粒的双层中的滑动面处的电位的量度。双层由斯特恩(Stern)层和漫射层组成。在斯特恩层中，与颗粒表面具有相反电荷的离子被吸引到颗粒上。随着与颗粒表面的距离增加，带相反电荷的离子变得更加扩散。离子开始扩散到周围介质中的点称为滑动面，因为强烈吸引的离子将随着粒子以布朗运动的方式移动。测量ζ电位的地方是滑动面。ζ电位可用作溶液中颗粒稳定性的量度。ζ电位大于+40mV或小于-40mV的颗粒认为是稳定的，因为电荷可防止颗粒聚集。相反，ζ电位更接近0mV(等电点)的颗粒具有碰撞和形成大的聚集体的趋势。

电泳光散射是用于确定溶液中带电荷颗粒的ζ电位的方法。滑动面处的电荷无法用DELSA^TM Nano C颗粒分析仪(Beckman Coulter,Brea,CA)直接测量。相反，ζ电位由理论模型和电泳迁移率确定。对溶液中的颗粒施加电场。颗粒会向带相反电荷的电极移动。颗粒受到激光的照射，由于颗粒的运动而散散。检测到的散射光从入射激光产生频移。频移可使用以下方程与颗粒的迁移率相关：v_D＝Uq2πcosθ2＝Unλsinθ。

图11A显示用于确定根据该实施例制造的碳材料分散体的ζ电位的迁移率数据，图11B显示总结数据和表征条件的表。分散体的ζ电位确定是-63.93mV。

实施例5B

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，使用剪切制造包括石墨烯在内的碳材料。

丙烷用作输送的气态有机化合物，矿物油用作液态有机化合物，并且使用台式剪切反应器。图12A显示根据该实施例制造的微米级石墨烯片晶的SEM图像。图12B中和下表3所示的EDS数据总结了元素的原子百分比。

表3

碳材料显示氧浓度是0.49原子％。

实施例5C

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，使用剪切制造包括石墨烯在内的碳材料。

使用高速剪切反应器，如图19所示。该实施例中，分别使用气态有机化合物和液态有机化合物的如下各种组合来制造碳材料：(i)丙烷和矿物油，(ii)丙烷和甲苯，和(iii)乙炔和甲苯。在情况(i)中形成结晶石墨烯，在情况(ii)和(iii)中形成微米级石墨材料。

实施例6

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，使用超声空化制造包括石墨烯在内的碳材料。使用探针超声空化反应器，使用#8号角和90％功率。方法进行15分钟。气体注入或夹带流速任选地是14L/min。使用气态有机化合物和液态有机化合物的以下组合：(i)丙烷和甲苯；(ii)丙烷/E30和Mobile-1，其中E30表示丙烷在压力罐中以30psi预夹带在Mobil-1中；(iii)丙烷/B和甲苯，表示丙烷是“鼓泡的”，和(iv)乙炔/B和甲苯。“B”代表“鼓泡。在(i)、(iii)和(iv)的情况下，制造微米级石墨烯碳材料。在(ii)的情况下，制造结晶石墨烯材料。由于它是在高剪切下完成的，因此剪切将微米级类石墨烯片晶破碎成结晶(小于10nm)颗粒。

实施例7

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，包括流体动力学空化和剪切，使用多功能空化反应器制造包括石墨烯在内的碳材料。丙烷用作气态有机化合物和矿物油用作液态有机化合物。形成结晶碳材料。

实施例8

该实施例中，证明在不存在气态有机化合物的情况下，在另外与制造固体碳材料的方法等同的条件下，不形成碳材料。

使用台式剪切反应器使用丙烷作为气态有机化合物和Syn 530作为液态有机化合物形成固体碳材料,例如石墨烯。在同等条件下，不输送气态有机化合物，该方法不产生固体碳材料。形成的碳材料在Syn 530中的分散体相对于不含碳材料的Syn 530产生14.6％的磨痕减少和64.5％的摩擦系数减少。

使用台式剪切反应器使用丙烷作为气态有机化合物和MOBILE 1^TM作为液态有机化合物形成固体碳材料,例如石墨烯。在同等条件下，不输送气态有机化合物，该方法不产生固体碳材料。形成的碳材料在MOBILE 1^TM中的分散体相对于不含碳材料的MOBILE 1^TM产生8％的磨痕减少和31％的摩擦系数减少。

实施例9

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，使用剪切制造包括石墨烯在内的碳材料。丙烷用作气态有机化合物。各种液态有机化合物与如下物质组合使用：丙烷、Syn530、MOBILE 1^TM、AMSOIL^TM、NonSyn、QUAKER STATE^TM530和高碳油(HCO)/基础油。

还在该实施例中，使用如上列举的有机液体中的碳材料分散体证明摩擦减少。在Syn 530的情况下(参见图14)，表明相对于不含碳材料的Syn 530(即，相对于不用于根据该实施例的制备固体碳材料的方法中的Syn 530)的14.6％磨痕减少和64.5％摩擦系数减少。在MOBILE 1^TM的情况下(参见图16)，表明相对于不含碳材料的MOBILE 1^TM(即，相对于不用于根据该实施例的制备固体碳材料的方法中的MOBILE 1^TM)的8％磨痕减少和31％摩擦系数减少。在AMSOIL^TM的情况下(参见图15)，表明相对于不含固体碳材料的AMSOIL^TM(即，相对于不用于根据该实施例的制备固体碳材料的方法中的AMSOIL^TM)的0％磨痕减少和12％摩擦系数减少。在NonSyn,Quaker 530的情况下，表明相对于不含碳材料的NonSyn,Quaker(即，相对于不用于根据该实施例的制备固体碳材料的方法中的NonSyn,Quaker)的3％磨痕减少和19％摩擦系数减少。在HCO/基础油的情况下，表明相对于不含碳材料的HCO/基础油(即，相对于不用于根据该实施例的制备固体碳材料的方法的HCO/基础油)的7％磨痕减少和13％摩擦系数减少。

实施例10

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，使用剪切制造包括石墨烯在内的碳材料。丙烷用作气态有机化合物和二硫化碳用作液态有机化合物。图13A显示根据该实施例的方法形成的碳材料的SEM图像。图13A标识有正方形#78和正方形#79。图13B显示对应于正方形78(光谱78)和正方形79(光谱79)中的材料的EDS数据。表4总结元素的原子百分比。

表4

如表3所见，形成的碳材料包括在正方形79处的碳-硫复合材料。复合材料具有大约48原子％碳和15原子％硫。

实施例11A

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，例如图18的剪切反应器，通过RossModel HSM-703X-20在线高剪切混合器使用超高剪切制造碳材料，包括石墨烯。丙烷用作气态有机化合物和矿物油用作液态有机化合物。使用50psi的气注压力，剪切反应器以10000rpm运行，合成方法执行15分钟。

该实施例中制造的矿物油中的碳分散体的特征在于ζ电位是-51mV(例如，-50.68mV)，如图17A至图17B中所示。

以下描述的表征技术和条件适用于实施例11A和实施例11B：

测试设备：用于进行ζ电位分析的测试仪器是DELSA^TM Nano C Nanoparticle Size和ζ电位分析仪(Beckel Coulter，Brea，CA)。DELSA^TM Nano C利用光子相关光谱(PCS)和电泳光散射技术来确定材料的粒径和ζ电位。为提供优异的准确度、分辨率和再现性，DELSA^TMNano C已设计以简化亚微米粒径和ζ电位分析。DELSA^TM Nano C提供0.6nm至7μm范围内的精确尺寸测量，样品浓度范围是0.001％至40％。它可执行水性和非水性样品以及固体表面和膜的ζ电位分析。它一直服务于工业中的广泛应用，例如纳米技术、电子、制药、墨、食品和饮料、生物医学、纺织。

悬浮在液体中的颗粒由于与溶剂分子的随机碰撞而发生布朗运动。这种运动导致颗粒通过介质扩散。根据斯托克斯-爱因斯坦方程，扩散系数D与粒径成反比：D＝k_BT/3πη₀d，其中D是扩散常数，k_B是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，η₀是黏度，并且d是球形粒径。

光子相关光谱，有时也称为动态光散射，是用于确定液体中小颗粒扩散系数的技术。系数通过准确测量作为时间函数的颗粒的光散射强度来确定。当感兴趣的颗粒由于布朗运动扩散通过样品池时，入射激光束照射到颗粒上。颗粒散射光，产生散射强度随时间推移的波动。散射光以选定的角度收集，并且由高灵敏度检测器测量。由于颗粒的扩散速率由它们的大小决定，因此关于它们大小的信息包含在散射光的波动率中。强度波动收集为光子计数并且相关联以生成自相关函数(ACF)。扩散系数通过使用累积量方法拟合ACF来确定，使用斯托克斯-爱因斯坦方程从中获得平均尺寸。

ζ电位是围绕悬浮在溶液中的颗粒的双层中滑动面处的电位的量度。双层由斯特恩层和漫射层组成。在斯特恩层中，与颗粒表面具有相反电荷的离子被吸引到颗粒上。随着与颗粒表面的距离增加，带相反电荷的离子变得更加扩散。离子开始扩散到周围介质中的点称为滑动面，因为强烈吸引的离子将随着粒子以布朗运动的方式移动。测量ζ电位的地方是滑动面。ζ电位可用作溶液中颗粒稳定性的量度。ζ电位大于+/-20mV的颗粒认为是稳定的，因为电荷可防止颗粒聚集。相反，ζ电位更接近0mV的颗粒具有碰撞和形成大的聚集体的趋势。

电泳光散射是用于确定溶液中带电荷颗粒的ζ电位的方法。滑动面处的电荷无法用DELSA^TM Nano C颗粒分析仪直接测量。相反，ζ电位由理论模型和电泳迁移率确定。对溶液中的颗粒施加电场。颗粒会向带相反电荷的电极移动。颗粒受到激光的照射，由于颗粒的运动而散散。检测到的散射光从入射激光产生频移。频移可使用以下方程与颗粒的迁移率相关：

其中v_D是颗粒的频移，U是颗粒的迁移率，q是散射矢量，λ是入射光的波长，n是介质的折射率，并且θ是散射角。已知迁移率，可应用如下Smoluchowski方程来得到ζ电位：

其中ε₀和ε_r分别是真空和介质中的介电常数。

除了测量溶液中颗粒的ζ电位外，还可以测定固体表面的ζ电位。对于平面使用测量颗粒的ζ电位所用的相同原理。专门设计的平面池用于容纳固体样品。固体表面的ζ电位测量程序与颗粒的典型ζ电位测量程序类似。在电渗和电泳的影响下，通过带电探针颗粒的动态光散射进行测量。由带电探针颗粒的总表观电渗流减去真电泳迁移率得到固体表面ζ电位的真电渗流。

测试条件和参数：在ζ电位分析之前，混合样品并且将大约5mL样品以3000rpm离心20分钟。从离心样品的顶部取出约1mL等分试样并且用于分析。为了确定ζ电位，使用流动池使用电泳光散射对样品进行分析。稀释油折射率的参考文献值1.467[Ref.1]、稀释油黏度19.1cP[Ref.2]和油介电常数的2.1[Ref.3]用于分析实验数据并且计算ζ电位。表5总结试验的测试条件和参数。

表5.ζ电位测试条件和参数

样品	一种含石墨烯的轻质矿物油样品
		测试仪器	DELSA<sup>TM</sup>Nano C
技术	电泳光散射
		测量池	流动池
稀释折射率	1.467
		稀释黏度	19.1cP
稀释介电常数	2.1
		测试温度	25℃
室温	22.8℃(73°F)
		湿度	40％RH

实施例11A和实施例11B的参考：

1.Millipore Sigma(2019).Liquid Refractive Index-Mineral Oil.https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/nist1922？lang＝en&region＝US

2.EFSA Panel on Food Additives and Nutrient Sources added to Food(ANS)；Scientific Opinion on the use of high viscosity white mineral oils as afood additive on request from the European Commission.EFSA Journal,2009；7(11):1387.

3.Honeywell(2019).Dielectric Constant Table.www.honeywellprocess.com

实施例11B

该实施例中，根据本文公开的方法的实施方案，例如图18的剪切反应器，使用剪切制造包括石墨烯在内的碳材料。丙烷用作气态有机化合物和MOBILE 1^TM油用作液态有机化合物。使用30psi的气注压力，剪切反应器以12000rpm运行，并且合成方法执行15分钟。

实施例中制造的MOBILE 1^TM中的碳分散体的特征在于ζ电位是-64mV(例如，-63.93mV)。

实施例12A

该实施例描述搅拌釜反应器，也可描述为搅拌高温、高压釜反应器(SHTHPTR)。图23说明根据某些实施方案的与本文公开的方法相容的示例性搅拌釜反应器。图23的搅拌釜反应器或SHTHPTR促进基于碳的气体和基于碳的液体之间的气液传质以产生化学反应，从而可产生石墨烯或类石墨烯材料、使石墨烯材料功能化或有助于产生类石墨烯复合材料。该反应器中，合成气分散成细小气泡以便溶解在液体中。较小气泡具有较大表面积，从而促进气液传质。

根据本文公开的实施方案，可类似地实施为气液传质反应器的搅拌釜反应器包括可归类为涡轮机、整体式或泡沫釜反应器的搅拌釜反应器。

有机气体在碳液体中通常低的溶解度可以通过操作反应器例如图23的搅拌釜气液传质反应器，在增加的压力例如6巴(约87psi)到至多150巴(约2175psi)下来改善。反应器的操作温度通常为20℃至250℃(例如，20℃至200℃、20℃至150℃、20℃至100℃、30℃至250℃、30℃至200℃、30℃至150℃、30℃至100℃、40℃至250℃、40℃至200℃、40℃至150℃、40℃至100℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、50℃至90℃或60℃至100℃)。

搅拌釜气液传质反应器例如图23的反应器，包含搅拌器。不希望受任何理论束缚，据信有机气体-有机液体反应是传质受限的。因此，搅拌系统是重要的，以便：(1)加强传质/液体传递，(2)加强传热，从而加速化学反应，和(3)使气/液混合物均质，以避免反应过程中温度和浓度分布不均。搅拌器是搅拌、高温、高压釜反应器的重要组成部分，可以有多种类型，包括但不限于：拉什顿(Rushton)搅拌器/涡轮、整体式搅拌器、螺旋搅拌器、径向板式、平叶片叶轮、轴螺旋桨、斜叶片、涡轮涡流和一个轴上的多个搅拌器。

优选地但不必需地，用于最大化气液传质的搅拌器是气体诱导搅拌器，如图24所示。这种高性能叶轮将反应器顶部空间中的碳气分散成非常细小的气泡，从而在气体和液体之间形成极其大的界面面积。

该实施例中使用的气体诱导叶轮包括不锈钢空心叶轮轴，其在混合容器顶部空间的叶轮轴顶部有小毫米尺寸的进气孔。顶部空间中的气体被吸入叶轮槽，然后通过位于叶轮4个叶片中每个叶片尖端的叶轮中的气体分散(出口)端口分散到液相中。该叶轮安装在带有电动或气动搅拌器的SHTHPTR(图23)中，以确保较长时间运行的连续旋转。搅拌速度越高，真空度越高，并且驱动力越大。为通过气口的最大吸入量，叶轮一般可在100rpm至3000rpm(例如，600rpm至2000rpm、1000rpm至1200rpm、100rpm至600rpm)下操作。叶轮可从任何合适的供应商处购买，例如Parr Instrument Company(Moline,IL)。

实施例12B

该实施例中，类石墨烯材料使用例如图23的搅拌釜反应器制造和表征。图25是显示在80psi压力和60℃温度下将丙烷气体注入液态甲苯中30分钟，在搅拌、高温、高压釜反应器(例如，图23)中制备的少数层类石墨烯材料的SEM。制成的固体碳材料是类石墨烯材料(图25)，而不是无定形碳。

该实施例的工艺釜参数包括：釜直径9”(22.86cm)，容纳2升甲苯，叶轮直径4”(10.16cm)，以3000rpm旋转30分钟。叶轮直径与釜直径之比(D/T)是0.44。在搅拌反应器中由叶轮产生的剪切在很大程度上取决于叶轮直径与釜直径之比(D/T)。对于本发明的方法，D/T比通常为0.1至0.6，优选0.2至0.5。低D/T叶轮可以在较低rpm下产生高剪切，而高D/T配置通常在较高rpm下运行并且产生低剪切但较大混合。在本发明的方法中，发现低D/T比是合乎需要的，因为目标不是混合，而是通过高剪切使气体转移最大化。

实施例12C

该实施例中，类石墨烯材料在非加成高碳油中的分散体使用搅拌釜反应器(例如图23的反应器)制备。该实施例中，分散体用于润滑，并且将润滑性能与不含类石墨烯材料的相同油的润滑性能进行比较。高碳油在30psi、60℃的温度下注入丙烷处理40分钟。表6显示与制造石墨烯类材料之前的油相比，使用如此制造的分散体增强润滑。

表6

实施例13

该实施例表明根据本文公开的方法的某些实施方案，将氧化石墨烯(GO)还原成氧化还原石墨烯(rGO)。

氧化石墨烯(GO)研究和应用的一个关键课题是将GO还原成还原氧化石墨烯(rGO)。大多数用于将GO转化成rGO的工艺的缺点是石墨烯的质量降低。这是因为在氧化还原步骤中无法完全去除晶格缺陷和附着于表面和边缘的官能团。同样有问题的是，还原过程中使用的强氧化剂、液体废物和有机溶剂引起环境问题。相比之下，本文公开的某些方法要简单得多，并且不损害石墨烯的质量或需要对环境不友好的化学品。

图26至27显示使用台式剪切以将丙烷鼓泡进入分散在极性溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的GO而将GO还原成rGO。该过程使GO中的原子氧从34％减至20％，从而使C/O比率从1.76增至3.81。加入到GO中的碳来自气液传质过程中产生的另外碳。图26和表7总结了氧化石墨烯中元素的原子百分比。

表7

图27和表8总结还原氧化石墨烯(图26的还原氧化石墨烯)中元素的原子百分比。

表8

实施例14A

该实施例中，根据本文公开的某些实施方案，石墨烯被边缘氧化，石墨烯原位功能化的一个实施例。

边缘氧化石墨烯是石墨烯还原的对比。不是除去氧气，而是谨慎地加入。向原始石墨烯中加入氧的主要原因是使石墨烯具有水分散性。这是一项不小的任务，因为高质量的石墨烯几乎没有缺陷从而使石墨烯疏水。困难在于石墨烯要分散在水中，它需要缺陷位点。目前，获得水性低氧石墨烯水分散体的最常见方法是将几个化学基团接枝到原始石墨烯上有限的缺陷位点。

该实施例表明轻度氧化高质量石墨烯的环境友好工艺。气液传质反应器可用于产生石墨烯的“弱”氧化，从而避免对石墨烯片晶的晶格造成显著损坏。最小损伤导致石墨烯可溶于水，而无需任何表面活性剂或添加剂。超声鼓泡氧也将水的表面张力降低到约42，这与石墨的表面张力接近匹配。本领域技术人员知道，当液体的表面张力接近石墨的表面张力时，有利于液体剥离。然而，尚未报道使用鼓泡氧来降低水的表面张力以达到液体剥离的目的。该过程不需要使用表面活性剂、水/醇混合物或昂贵的对环境有害的溶剂。最近的分子动力学模拟支持氧饱和度降低水表面张力的观点(参见例如，Jain,等人，AIP Advances,2017,7,045001)。

图28至图29中的EDS分析显示，将原始石墨烯用氧气注入流体动力学空化反应器中处理1小时后，石墨烯上的氧含量从约0.5％增至约6％，并且使石墨烯溶于水。图28和表9总结原始石墨烯中元素的原子百分比。

表9

图29和表10总结在部分氧化(边缘氧化)的石墨烯(图28的氧化石墨烯)中元素的原子百分比。

表10

实施例14B

该实施例中，实施例14A的边缘氧化石墨烯用于增强基于水的润滑剂的润滑性。具体而言，图30表明，当将水分散的石墨烯添加到Master Chemical 685的水部分时，在钢中形成螺纹所需的扭矩降低26％。上图是不含石墨烯的冷却剂，而下图含有0.01％边缘氧化石墨烯液。较低的扭矩反映较高的润滑性。

实施例15

该实施例中，阳离子石墨烯(CGN)根据本文公开的某些实施方案来制备。通过产生阳离子石墨烯来调整石墨烯的电性能在先进电子应用的广泛领域中具有重要意义。化学掺杂是定制石墨烯电子特性的重要方法。通常，有两种化学掺杂石墨烯的方法：(1)金属或有机分子在石墨烯表面上的吸附，或(2)置换掺杂，其将杂原子(例如氮原子和硼原子)引入石墨烯的碳晶格中。这两种方法均可改变石墨烯的电子特性。

该实施例介绍了改变石墨烯电子性质的不同方法。虽然石墨烯通常是阴离子的，但气液传质过程可用于原位生产阳离子石墨烯。该过程包括例如在高剪切下将丙烷鼓泡到1,2-二氯苯中。在这些条件下，气液传质反应将高剪切气/液系统中的碳转化为原位石墨烯。用本文所述的气液传质由1,2-二氯苯制备的阳离子石墨烯具有+4.99mV的ζ电位，如图31所见。这与当石墨烯分散在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中时的-33mV的ζ电位形成鲜明对比。

关于通过引用并入及变体的声明

本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，均以相同程度通过引用并入本文，就如每篇参考文献单独和具体地指示为通过引用并入并且在本文整体阐述那样。

在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)，术语“一个”和“一种”以及“该或所述”和“至少一个(种)”以及类似指代的使用解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。使用术语“至少一个(种)”后跟一个或多个项目的列举(例如，“A和B中的至少一个(种)”)应解释为表示选自所列项目(A或B)的一个(种)项目，或两个(种)或多个(种)所列项目(A和B)的任何组合，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。除非本文另有说明，否则本文对数值范围的引用仅旨在作为单独提及落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且将每个单独值并入说明书中，就如其在本文中单独引用那样。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适顺序执行。除非另有声明，否则本文中提供的任何和所有实例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明而不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为表明任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必不可少的。

当本文使用马库什组或其他分组时，该组的所有个体成员以及该组的所有可能的组合和子组合旨在单独地包括在本公开中。当在本文中描述化合物使得该化合物的特定异构体、对映异构体或非对映异构体并未例如在式或化学名称中指定时，该描述旨在包括单独或以下任何组合方式描述的化合物的每种异构体和对映异构体。此外，除非另有说明，否则本文公开的化合物的所有同位素变体旨在为本公开所涵盖。例如，将会理解，公开的分子中的任何一个或多于一个氢可被氘或氚替代。分子的同位素变体通常可用作分子测定以及与分子或其用途相关的化学和生物学研究中的标准品。制备这种同位素变体的方法是本领域已知的。化合物的具体名称旨在是示例的，因为本领域技术人员可以不同方式命名相同的化合物。

本文公开的某些分子可以包含一个或多于一个可离子化的基团(质子可从中除去的基团(例如，-COOH)或加入的基团(例如，胺)或可季铵化的基团(例如，胺))。这种分子及其盐的所有可能的离子形式旨在单独包括在本文的公开内容中。关于本文化合物的盐，本领域普通技术人员可从多种可用的抗衡离子中进行选择，这些抗衡离子适于制备本发明的盐用于给定应用。在特定应用中，选择用于制备盐的给定阴离子或阳离子可导致此盐的溶解度增加或减少。

除非另有说明，否则本文描述或例示的每种方法和系统均可用于实践本发明。

本文描述了本发明的优选实施方案，包括发明人已知用于实施本发明的最佳方式。通过阅读前述描述，那些优选实施方案的变体对于本领域技术人员来说会变得是明显的。本发明人期望本领域技术人员适当地采用这种变体，并且本发明人旨在以不同于本文具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明包括在适用法律允许的情况下所附权利要求中记载的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或另外与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述要素的所有可能变体形式的任何组合。

Claims (47)

1.一种制备固体碳材料的方法，其包括：

将包含至少一种液态有机化合物的液体输送到反应器的反应区中；

将包含至少一种气态有机化合物的气体输送到所述反应器的所述反应区中；和

引发所述至少一种液态有机化合物和所述至少一种气态有机化合物之间的化学反应，其中：

所述化学反应发生在所述反应器的所述反应区中；

所述固体碳材料通过所述反应来制备；

所述固体碳材料在所述反应期间以分散体的形式来制备，所述分散体包含分散在所述液体中的所述固体碳材料；和

所述化学反应是均相反应，包括所述固体碳材料在所述反应器的所述反应区中的均相成核。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述化学反应包括气液传质。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体的组成不同于所述液体的组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种气态化合物的组成不同于所述至少一种液态有机化合物的组成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述化学反应不发生在催化剂上或催化剂处。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法不包括在固体衬底上使所述固体碳材料异相成核。

7.根据权利要求1所述的方法，其中输送所述液体的步骤通过第一输入流进入所述反应区来进行，输送所述气体的步骤通过第二输入流进入所述反应区来进行；其中第一流路径和所述第二输入流不同并且物理上分开。

8.根据权利要求1所述的方法，其中输送所述液体的步骤和输送所述气体的步骤同时进行，或者输送所述气体的步骤在所述液体输送到所述反应区之后进行。

9.根据权利要求1所述的方法，其中当存在于所述反应区中时，所述固体碳材料保持分散在所述液体中。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在输送所述液体的步骤期间和输送所述气体和引发所述化学反应的步骤之前，所述液体基本上不含固体碳材料。

11.根据权利要求1所述的方法，其中在输送所述液体的步骤期间和输送所述气体和引发所述化学反应的步骤之前，所述液体基本上不含固体颗粒并且基本上不是胶体、悬浮液或溶胶材料。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体碳材料仅在所述反应器的所述反应区中形成。

13.根据权利要求1所述的方法，其中当在其他等同步骤和条件下进行所述方法而没有输送所述气体的步骤时，制备不出所述固体碳材料。

14.根据权利要求1所述的方法，其中输送所述气体包括将所述气体夹带在所述液体中、将所述气体注入所述液体中、将所述气体鼓泡到所述液体中，或这些方式的组合。

15.根据权利要求1所述的方法，其中在输送所述气体的步骤期间，将所述气体直接输送到所述反应区中。

16.根据权利要求1所述的方法，其中引发所述化学反应的步骤包括在所述液体中引发剪切力。

17.根据权利要求1所述的方法，其中引发所述化学反应的步骤包括搅动或搅拌所述反应区中的所述液体和所述气体，任选地在压力下进行。

18.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述反应器是空化反应器；

所述反应区是所述空化反应器的空化区；和

所述方法包括在所述空化反应器的所述空化区内的液体中形成空化气泡。

19.根据权利要求18所述的方法，其中在输送所述气体的步骤期间，将所述气体直接输送到空化气泡成核区中或空化气泡成核区的1mm以内，所述空化气泡成核区对应于在形成步骤期间流体动力学空化反应中所述空化气泡的成核。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述形成步骤包括形成空化云，所述空化云包括在所述反应器的所述空化区域中的所述空化气泡，其中所述气体直接输送到所述空化云的内部或所述空化云的1mm以内。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述形成步骤包括形成包含所述空化气泡的空化云，其中所述碳材料形成在所述空化云中。

22.根据权利要求18所述的方法，其中在输送所述液体的步骤期间和在其中形成空化气泡之前，所述液体基本上不含所述碳材料。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述空化反应器包括具有预空化区和孔口区的流体动力学空化反应器，其中所述孔口区介于所述预空化区和所述空化区之间；所述孔口区包含至少一个孔口，使得所述液体从所述预空化区通过所述至少一个孔口流动到所述空化区；其中每个所述至少一个孔口的特征在于孔口直径小于所述预空化区的直径。

24.根据权利要求23所述的方法，其中将气体直接输送到所述至少一个孔口的空化端或所述至少一个孔口的端部的1mm以内；所述至少一个孔口的所述空化端是距离所述空化反应器的所述空化区最近的所述至少一个孔口的一端。

25.根据权利要求1所述的方法，其中所述气态有机化合物选自烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、杂环烷烃、芳烃、杂芳烃及其组合，其中所述烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、杂环烷烃、芳烃或杂芳烃可以任选地被一个或多于一个取代基取代。

26.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种气态有机化合物选自甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、1,3-丁二烯、丁烷及其任何组合。

27.根据权利要求1所述的方法，所述至少一种液态有机化合物选自单体、低聚物、预聚物、聚合物、有机溶剂及其任何组合。

28.根据权利要求1所述的方法，所述至少一种液态有机化合物选自甲醇、乙醇、异丙醇、甲基吡咯烷酮、d-环戊二烯、己烷、苯、甲苯、庚烷、二甲苯、二甲亚砜、矿物油、机油、MOBILE 1^TM机油、Syn 530机油、AMSOIL^TM、NonSyn、QUAKER STATE^TM 530、基础油、氢化蓖麻油、传动油、齿轮油、植物油、烃类基础油、加成油、非加成油、煤油、柴油、乙二醇、丙二醇、二甘醇、三乙胺、三甲胺、戊烷、环戊烷、环己烷、1,4-二

烷、氯仿、乙醚、二氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、丙酮、二甲基甲酰胺、乙腈、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、甲酸、丁醇、丙醇、乙酸、十八碳烯、油酸、油胺、辛烷、二甘醇醚、1,2-二氯苯、乙酸甲酯、四氯乙烯、二苯基硫脲、六氟-2-丙醇、肉桂酸、三甲胺、苯硫醇、乙硫醇、乙二硫醇、4-氨基苯硫醇、丙烯酸、二硫化碳、1,2-二氯苯、N-甲基-2-吡咯烷酮及其任何组合。

29.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体包括水。

30.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体碳材料包括石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。

31.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳材料包括石墨烯或类石墨烯材料。

32.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳材料包括石墨烯-聚合物纳米复合材料。

33.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳材料的特征在于氧含量是7原子％或少于7原子％。

34.根据权利要求1所述的方法，其中分散体的特征在于摩擦系数相对于不含所述固体碳材料的相同液体降低至少5％。

35.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体碳材料或所述分散体是电池阳极、电池阴极、导电材料、导热材料、润滑流体或传热流体的一部分。

36.根据权利要求1所述的方法，其还包括使所述固体碳材料功能化以提供功能化固体碳材料。

37.根据权利要求1所述的方法，其中所述分散体是第一分散体，所述化学反应是第一化学反应，所述固体碳材料是前驱体材料，所述气体是第一气体，并且所述反应器是第一反应器；所述方法还包括：

将所述第一分散体输送到第二反应器中；

将包含至少一种气态有机化合物的第二气体直接输送到所述第二反应器的反应区中；和

在所述第二反应器的反应区中引发第二化学反应；其中：

所述第二化学反应将所述前驱体材料转化成第二固体碳材料；

所述第二碳材料分散在所述液体中；和

所述前驱体材料与所述第二碳材料不同。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述第二反应器是空化反应器，引发步骤包括在所述第二反应器的所述反应区内的所述第一分散体中形成空化气泡。

39.根据权利要求37所述的方法，其中所述第一反应器和所述第二反应器相同。

40.一种使分散在液体中的第一固体碳材料功能化的方法，分散在所述液体中的第一固体碳前驱体材料是第一分散体，其中所述方法包括以下步骤：

将所述第一分散体输送到反应器的反应区中；其中所述液体包括至少一种液态有机化合物；

将气体输送到所述反应器的所述反应区中；和

引发功能化化学反应，其中：

所述功能化化学反应使得由第一碳材料形成第二碳材料；

所述功能化化学反应发生在所述反应器的所述反应区中；和

在形成第二分散体的反应期间制备第二固体碳材料，所述第二分散体包含分散在所述液体中的所述第二固体碳材料。

41.根据权利要求40所述的方法，其中所述第一固体碳材料包括氧化石墨烯、石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。

42.根据权利要求40所述的方法，其中所述第二固体碳材料包括还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、边缘氧化石墨烯、石墨、膨胀石墨、类石墨材料、石墨烯、类石墨烯材料、碳片晶、碳纳米管、碳洋葱、其他碳的同素异形体、包含石墨烯的复合材料、阳离子石墨烯或其任何组合。

43.根据权利要求40所述的方法，其中所述功能化化学反应包括氧化所述第一固体碳材料，使得所述第二固体碳材料可溶于水中。

44.根据权利要求40所述的方法，其中所述功能化化学反应包括向所述第一固体碳材料加入氧原子、从所述第一固体碳材料除去氧原子、向所述第一固体碳材料加入碳原子、向所述第一固体碳材料加入氮原子、向所述第一固体碳材料加入硫原子或其组合。

45.根据权利要求40所述的方法，其中所述气体包括氧气、水蒸气、氢气、氮气、二氧化硫、CO₂、臭氧或其任何组合。

46.据权利要求40所述的方法，其中：所述反应器是空化反应器和所述反应区是空化区；所述方法包括在所述空化反应器的所述空化区内的所述液体中形成空化气泡；和将气体直接注入所述空化区。

47.一种功能化材料，其通过权利要求40所述的方法来制备。

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