RU2790204C2 - In situ production and functionalization of carbon materials through gas-liquid mass transfer and its use - Google Patents

In situ production and functionalization of carbon materials through gas-liquid mass transfer and its use Download PDF

Info

Publication number
RU2790204C2
RU2790204C2 RU2021121513A RU2021121513A RU2790204C2 RU 2790204 C2 RU2790204 C2 RU 2790204C2 RU 2021121513 A RU2021121513 A RU 2021121513A RU 2021121513 A RU2021121513 A RU 2021121513A RU 2790204 C2 RU2790204 C2 RU 2790204C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cavitation
reactor
liquid
carbon material
gas
Prior art date
Application number
RU2021121513A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021121513A (en
Inventor
Мэрион Л. ЧИАТТЕЛЛО
Марк ОМЭН
Original Assignee
Перфоманс Нанокарбон, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Перфоманс Нанокарбон, Инк. filed Critical Перфоманс Нанокарбон, Инк.
Publication of RU2021121513A publication Critical patent/RU2021121513A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2790204C2 publication Critical patent/RU2790204C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: inventions relate to the production of carbon material and its use. A method for the production of solid carbon material is described, including: delivery of liquid containing at least one liquid organic compound to a reaction zone of a reactor; delivery of gas containing at least one gaseous organic compound to the reaction zone of the reactor; and induction of a chemical reaction including gas-liquid mass transfer between at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound. In this case, the chemical reaction occurs in the reaction zone of the reactor; solid carbon material is obtained by reaction; solid carbon material is obtained during the reaction in the form of a dispersion including solid carbon material dispersed in liquid; the chemical reaction is a homogeneous reaction including homogeneous nucleation of solid carbon material in the reaction zone of the reactor; the chemical reaction does not occur on or in a catalyst; and the resulting solid carbon material is selected from a group containing graphite, expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon plates, carbon nanotubes, carbon bulbs, other carbon allotrope, composite containing graphene, cationic graphene, or any combination thereof. A dispersion obtained by the above-mentioned method is described. The use of solid carbon material obtained by the above-described method as part of a battery anode, battery cathode, conductive material, heat-conducting material, lubricating fluid, or heat-conducting fluid is described. The use of a dispersion obtained by the above-described method to obtain a part of a battery anode, battery cathode, conductive material, heat-conducting material, lubricating fluid, or heat-conducting fluid is described.
EFFECT: production of carbon material.
37 cl, 43 dwg, 10 tbl, 14 ex

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 62/783,713, поданной 21 декабря 2018, и предварительной заявки на патент США № 62/926,283, поданной 25 октября 2019, каждая из которых включена в настоящий документ в качестве ссылки полностью.This application claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/783,713, filed December 21, 2018, and U.S. Provisional Application No. 62/926,283, filed October 25, 2019, each of which is incorporated herein by reference in its entirety.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Графен используется в широком спектре областей, включая антикоррозионное покрытие и краски, электронику, солнечные батареи, доставку лекарственных средств, батареи и водные фильтры. Однако значительной проблемой коммерциализации графена является отсутствием надежных способов массового производства для производства низкозатратного высококачественного графена. Различные способы производства графена могут быть классифицированы на подходы сверху вниз и снизу вверх. Например, обычные способы сверху вниз включают: (i) химически преобразованный графен (восстановление оксида графена), (ii) электрохимическую эксфолиацию, и (iii) жидкофазную эксфолиацию (LPE) в присутствии или отсутствии поверхностно-активных веществ. Подходы снизу вверх включают: (i) графеновые структуры, синтезированные из низкомолекулярных органических предшественников каталитическим химическим газофазным осаждением (CVD), (ii) органический синтез, и (iii) эпитаксиальное выращивание на SiC или других субстратах.Graphene is used in a wide range of applications, including anti-corrosion coatings and paints, electronics, solar panels, drug delivery, batteries, and water filters. However, a significant problem in the commercialization of graphene is the lack of reliable mass production methods for the production of low cost, high quality graphene. The various ways of producing graphene can be classified into top-down and bottom-up approaches. For example, conventional top-down methods include: (i) chemically converted graphene (graphene oxide reduction), (ii) electrochemical exfoliation, and (iii) liquid phase exfoliation (LPE) in the presence or absence of surfactants. Bottom-up approaches include: (i) graphene structures synthesized from low molecular weight organic precursors by catalytic chemical vapor deposition (CVD), (ii) organic synthesis, and (iii) epitaxial growth on SiC or other substrates.

Среди этих способов химическое восстановление расслоенного оксида графена (GO) сверху вниз является, возможно, наиболее распространенной стратегией крупномасштабного производства графена. Этот способ соответствует химическому превращению графита. Процесс является очень длительным (например, примерно 5 часов), как правило, требует использования дорогих вредных химикатов, таких как серная кислота, азотная кислота, и перманганат калия, и интенсивной энергии (например, требует высоких температур в пределах от 800°C до 1050°C). Кроме того, процесс не эффективен. Сильные кислоты потребляют целых 20-50% затравочного графита. Процесс требует затяжных стадий промывания и очистки, что дает огромные количества сточных вод, которые нужно соответственно обрабатывать. Кристаллы GO требуют дальнейшего химического восстановления для сокращения содержания кислорода. Это восстановление приводит к уменьшению оксида графена (rGO). Процедура восстановления обычно включает дальнейшее использование ядохимикатов, таких как гидразин. Даже после восстановления, графен далек от того, чтобы быть нетронутым. Пост-производственные способы восстановления GO до rGO не полностью удаляют кислород, введенный процессом сильного окисления. Остающиеся кислородные группы можно считать формой химических дефектов. Кроме того, удаление кислорода, как правило, приводит к формированию физических дефектов в форме пустот и повреждения краев.Among these methods, top-down chemical reduction of exfoliated graphene oxide (GO) is perhaps the most common strategy for large-scale production of graphene. This method corresponds to the chemical transformation of graphite. The process is very long (eg, approximately 5 hours), typically requires the use of expensive harmful chemicals such as sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate, and intense energy (eg, requires high temperatures ranging from 800°C to 1050 °C). Also, the process is inefficient. Strong acids consume as much as 20-50% of seed graphite. The process requires lengthy washing and cleaning steps, which produces huge amounts of wastewater that must be treated accordingly. GO crystals require further chemical reduction to reduce the oxygen content. This reduction leads to a reduction in graphene oxide (rGO). The recovery procedure usually involves the further use of pesticides such as hydrazine. Even after restoration, graphene is far from being intact. Post-production methods for reducing GO to rGO do not completely remove the oxygen introduced by the high oxidation process. The remaining oxygen groups can be considered a form of chemical defects. In addition, the removal of oxygen typically results in the formation of physical defects in the form of voids and damage to the edges.

Большинство вышеупомянутых процессов не создает нетронутый (т.е. чистый) графен. Нетронутый графен является мономолекулярным слоем или небольшим количеством слоев графеновых пластинок, которые не имеют химических и физических дефектов. Оба из этих дефектов ухудшают уникальные тепловые свойства, требуемые для теплопередачи, а также электрические свойства, необходимые в микроэлектронике и для аккумулирования энергии. Типичный химическими дефектми являются функциональные группы кислорода, расположенные на поверхности или краях графеновых пластинок, что значительно уменьшает теплопроводность графена. Например, даже 5% содержание кислорода уменьшит теплопроводность графена на 95% (например, см., Xin Mu et al., Sci. Reports, 4: 3909; DOI: 10.1038/srep03909). Химические дефекты также уменьшают электропроводность графена. GO с не более 35% кислорода действует как изолятор, а не проводник. Физические дефекты включают отверстия и пустоты на плоскости и краях графеновых пластинок. Эти отверстия и пустоты, препятствующие свободному течению тепла и электронов через плоскость графена. Физические дефекты часто создаются в процессе получения или в процессе удаления кислорода.Most of the above processes do not create pristine (i.e. pure) graphene. Intact graphene is a monomolecular layer or a small number of layers of graphene plates that do not have chemical and physical defects. Both of these defects degrade the unique thermal properties required for heat transfer as well as the electrical properties required in microelectronics and energy storage. Typical chemical defects are oxygen functional groups located on the surface or edges of graphene plates, which significantly reduces the thermal conductivity of graphene. For example, even 5% oxygen will reduce the thermal conductivity of graphene by 95% (eg, see Xin Mu et al., Sci. Reports , 4: 3909; DOI: 10.1038/srep03909). Chemical defects also reduce the electrical conductivity of graphene. GO with no more than 35% oxygen acts as an insulator rather than a conductor. Physical defects include holes and voids on the plane and edges of graphene plates. These holes and voids prevent the free flow of heat and electrons through the graphene plane. Physical defects are often created during the production or removal of oxygen.

Другая основная проблема, связанная с работой с графеном, состоит в том, что очень трудно создать стабильные графеновые дисперсии. Графен является твердым веществом, которое нерастворимо в растворителе, поэтому графен используют в порошкообразной форме или в виде дисперсии. Существует много проблем, связанных с попыткой создать дисперсии, содержащие графен, включая многостадийные процессы с увеличенными отходами и затратами. См., например, Liang et al., Coatings, 2018, 8, 33; Dong et al., Nature Communications, January 8, 2018, 9, article number 76; и Johnson, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2015, 20(5-6), 367-382.Another major problem associated with working with graphene is that it is very difficult to create stable graphene dispersions. Graphene is a solid that is insoluble in solvent, so graphene is used in powder form or as a dispersion. There are many problems associated with trying to create dispersions containing graphene, including multi-stage processes with increased waste and costs. See, for example, Liang et al., Coatings , 2018, 8, 33; Dong et al., Nature Communications, January 8, 2018, 9, article number 76; and Johnson, Current Opinion in Colloid & Interface Science , 2015, 20(5-6), 367-382.

Таким образом, существует потребность в способах, обращающихся к этим и другим проблемам, связанным с созданием графена и других углеродных материалов. В настоящем документе представлены такие способы получения углеродных материалов, а также способы функционализации материалов, которые могут дать графен, включая чистый графен, и могут быть масштабируемым, кратковременными и уменьшать производственные затраты по сравнению с обычными подходами.Thus, there is a need for methods that address these and other problems associated with the creation of graphene and other carbon materials. This document presents such methods for producing carbon materials, as well as methods for the functionalization of materials, which can give graphene, including pure graphene, and can be scalable, short-term and reduce production costs compared to conventional approaches.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Изобретение относится к способам получения твердых углеродных материалов и функционализации материалов, таких как твердые углеродные материалы, в частности, графен. Эти способы включают получение твердых углеродных материалов в жидкости in situ, с получением дисперсии твердого углеродного материала, которые в некоторых вариантах осуществления считают стабильными дисперсиями. Изобретение также относится к использованию и областям применения углеродного материала(ов).The invention relates to methods for producing hard carbon materials and functionalization of materials such as hard carbon materials, in particular graphene. These methods include obtaining solid carbon materials in a liquid in situ, obtaining a dispersion of solid carbon material, which in some embodiments, the implementation is considered stable dispersions. The invention also relates to the uses and applications of the carbon material(s).

Описанные в настоящем документе способы получения твердого углеродного материала, где способ включает доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение в зону реакции реактора; и индуцирование химической реакции, по меньшей мере, между одним жидким органическим соединением и, по меньшей мере, одним газообразным органическим соединением, где: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; твердый углеродный материал получают реакцией; твердый углеродный материал получают во время реакции в форме дисперсии, содержащей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; и химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора. Предпочтительно, химическая реакция включает газожидкостный массообмен. Предпочтительно, но не обязательно, композиция газа отличается от композиции жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, композиция, по меньшей мере, одного газообразного соединения отличается от композиции, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения. Необязательно, химическая реакция не происходит на или при катализаторе. Предпочтительно, но не обязательно, способ не включает гетерогенную нуклеацию твердого углеродного материала на твердой подложке. Необязательно, стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции, и стадия доставки газа выполняется через второй входной поток в зону реакции; где пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными. Необязательно, стадия доставки жидкости и стадия доставки газа выполняется одновременно. Необязательно, стадия доставки газа выполняется после того, как жидкость доставляется в зону реакции. Предпочтительно, твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время присутствия в зоне реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидной, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, твердый углеродный материал формируется только в зоне реакции реактора. Необязательно, твердый углеродный материал не получается, если способ выполняется без стадии доставки газа при в остальном эквивалентных стадиях и условиях. Предпочтительно, но не обязательно, доставка газа включает захватывание газа, впрыскивание газа или их комбинацию. Необязательно, газ захватывается жидкостью под давлением, газ впрыскивается в жидкость, или газ барботируется в жидкость или проводится комбинация этих методов. Предпочтительно, газ доставляется непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа. Предпочтительно, но не обязательно, стадии доставки газа и индуцирования химической реакции выполняются одновременно или практически одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). Предпочтительно, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение и, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды) присутствуют в зоне реакции. Необязательно, стадия индуцирования химической реакции включает кавитацию в жидкости и/или индуцирование силы сдвига. Реактор должен быть таким, который может вызвать кавитацию, сдвиг, высокое давление, высокие температуры и/или смешивание, таким как кавитационный реактор, реактор со сдвигом или реактор с механическим перемешиванием. В некоторых вариантах осуществления, реактор является реактором с механическим перемешиванием, содержащим мешалку, где мешалка вызывает силу сдвига в жидкости. The methods described herein for producing a solid carbon material, wherein the method includes delivering a liquid containing at least one liquid organic compound to a reaction zone of a reactor; delivering a gas containing at least one gaseous organic compound to the reaction zone of the reactor; and inducing a chemical reaction between at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound, where: the chemical reaction occurs in the reaction zone of the reactor; solid carbon material is obtained by the reaction; the solid carbon material is obtained during the reaction in the form of a dispersion containing the solid carbon material dispersed in a liquid; and the chemical reaction is a homogeneous reaction involving homogeneous nucleation of solid carbon material in the reaction zone of the reactor. Preferably, the chemical reaction involves gas-liquid mass transfer. Preferably, but not necessarily, the gas composition is different from the liquid composition. Preferably, but not necessarily, the composition of the at least one gaseous compound is different from the composition of the at least one liquid organic compound. Optionally, the chemical reaction does not occur on or with the catalyst. Preferably, but not necessarily, the method does not include heterogeneous nucleation of a solid carbon material on a solid support. Optionally, a liquid delivery step is performed via the first inlet stream to the reaction zone, and a gas delivery step is performed via the second inlet stream to the reaction zone; where the paths of the first stream and the second input stream are different and are physically separate. Optionally, the liquid delivery step and the gas delivery step are performed simultaneously. Optionally, the gas delivery step is performed after the liquid is delivered to the reaction zone. Preferably, the solid carbon material remains dispersed in the liquid while present in the reaction zone. Preferably, but not necessarily, the liquid is substantially free of solid carbon material during the liquid delivery stage and prior to the gas delivery and chemical reaction induction stages. Preferably, but not necessarily, the liquid is substantially free of solids and is not substantially colloidal, slurry or sol during the liquid delivery stage and up to the gas delivery and chemical reaction induction stages. Preferably, but not necessarily, the solid carbon material is formed only in the reaction zone of the reactor. Optionally, no solid carbon material is obtained if the process is performed without a gas delivery step under otherwise equivalent steps and conditions. Preferably, but not necessarily, gas delivery includes gas capture, gas injection, or a combination of both. Optionally, the gas is entrained in the pressurized liquid, the gas is injected into the liquid, or the gas is bubbled into the liquid, or a combination of these methods. Preferably, the gas is delivered directly to the reaction zone during the gas delivery step. Preferably, but not necessarily, the gas delivery and chemical reaction induction steps are performed simultaneously or substantially simultaneously (e.g., within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within 15 seconds , within 10 seconds, within 5 seconds, or within 1 second). Preferably, at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound at the same time (for example, within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within within 15 seconds, within 10 seconds, within 5 seconds, or within 1 second) are present in the reaction zone. Optionally, the step of inducing a chemical reaction includes cavitating the liquid and/or inducing a shear force. The reactor should be one that can cause cavitation, shear, high pressure, high temperatures and/or mixing, such as a cavitation reactor, a shear reactor, or a mechanically agitated reactor. In some embodiments, the reactor is a mechanically agitated reactor containing a stirrer, where the stirrer induces a shear force in the liquid.

В настоящем документе описаны способы получения твердого углеродного материала, где способ включает: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение в кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, в кавитационную зону кавитационного реактора; таким образом, получая углеродный материал в форме дисперсии, содержащей углеродный материал, диспергированный в жидкости. Необязательно, реактором является гидродинамический кавитационный реактор, реактор со сдвигом, ультразвуковой кавитационный реактор или многофункциональный реактор. Необязательно, кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитационную или ультразвуковую кавитацию. Необязательно, реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700), гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, суперзвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, реактор с мешалкой, обеспечивающей сдвиг, микроволновый реактор, реактор с ударной волной (например, SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA), или их комбинация. В варианте осуществления, обработку ультразвуком используют, чтобы вызвать или индуцировать кавитацию в жидкости. Необязательно, доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию. Необязательно, газ захватывается жидкостью. Газ может быть захвачен жидкостью с применением любого подходящего давления, позволяющего газожидкостный массообмен в условиях работы реактора (например, 2-150 ф./кв.д., 10-100 ф./кв.д.). Необязательно, газ впрыскивается в жидкость. Необязательно, газ барботируется в жидкость. Необязательно, газ доставляется непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа. Например, газ доставляется непосредственно в зону кавитации в местоположении нуклеации кавитационных пузырей. Необязательно, стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). Необязательно, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в или в пределах 1 мм от зоны нуклеации кавитационных пузырей, где зона нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования. Необязательно, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляется непосредственно вовнутрь или в 1 мм от кавитационного облака. Необязательно, дисперсия формируется в зоне кавитации реактора. Необязательно, стадия формирования, включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке. Необязательно, жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Необязательно, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости и выращивание углеродного материала в жидкости.This document describes methods for producing a solid carbon material, where the method includes: delivering a liquid containing at least one liquid organic compound to a cavitation reactor; formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor; and delivering a gas containing at least one gaseous organic compound to the cavitation zone of the cavitation reactor; thus, obtaining a carbon material in the form of a dispersion containing a carbon material dispersed in a liquid. Optionally, the reactor is a hydrodynamic cavitation reactor, a shear reactor, an ultrasonic cavitation reactor, or a multifunctional reactor. Optionally, the cavitation reactor includes hydrodynamic cavitation or ultrasonic cavitation. Optionally, the reactor includes a rotor-stator reactor, shear stack reactor, high speed shear reactor (e.g. Charles Ross HSM-700), hydrodynamic cavitation reactor, sieve reactor, packed bed rotary reactor, rotary disk reactor, colliding jet reactor , supersonic gas-solid reactor, ultrasonic reactor, ultrasonic probe reactor, shear stirred reactor, microwave reactor, shock wave reactor (e.g. SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA), or a combination of them. In an embodiment, sonication is used to induce or induce cavitation in a liquid. Optionally, gas delivery includes gas capture, gas injection, or a combination thereof. Optionally, the gas is entrained in the liquid. The gas can be entrained in the liquid using any suitable pressure that allows gas-liquid mass transfer under reactor operating conditions (eg, 2-150 psi, 10-100 psi). Optionally, the gas is injected into the liquid. Optionally, the gas is bubbled into the liquid. Optionally, the gas is delivered directly to the cavitation zone during the gas delivery step. For example, the gas is delivered directly to the cavitation zone at the nucleation site of the cavitation bubbles. Optionally, the stages of cavitation bubble formation and gas delivery are performed simultaneously or almost simultaneously (for example, within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within 15 seconds, within 10 seconds, within 5 seconds, or within 1 second). Optionally, during the gas delivery step, the gas is delivered directly to or within 1 mm of the cavitation bubble nucleation zone, where the cavitation bubble nucleation zone corresponds to the cavitation bubble nucleation in the hydrodynamic cavitation reaction during the formation step. Optionally, the formation step includes the formation of a cavitation cloud containing cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor, where the gas is delivered directly into or 1 mm from the cavitation cloud. Optionally, the dispersion is formed in the cavitation zone of the reactor. Optionally, the forming step includes forming a cavitation cloud containing cavitation bubbles; where the carbon material is formed in the cavitation cloud. Optionally, the liquid is substantially free of carbon material during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles. Optionally, the liquid is substantially free of solids and is essentially not a colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles. Preferably, the preparation of the carbonaceous material comprises nucleating the carbonaceous material in a liquid. Preferably, the production of the carbon material includes nucleating the carbon material in the liquid and growing the carbon material in the liquid.

В одном аспекте, в настоящем документе представлен способ функционализации материала, диспергированного в жидкости, где материал, диспергированный в жидкости, является первой дисперсией, где способ, включает стадии: доставки первой дисперсии в кавитационный реактор; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации гидродинамического кавитационного реактора; и доставки газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, функционализируя материал для формирования второй дисперсии, где вторая дисперсия содержит функционализированный материал, диспергированный в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, функционализация материала включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию материала. В некоторых вариантах осуществления, материалом является углеродный материал, включающий графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы или другой углеродный аллотроп, гексагональный нитрид бора или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, функционализированный материал включает оксид графена. В некоторых вариантах осуществления, функционализация включает добавление атомов кислорода к материалу, удаление атомов кислорода из материала, добавление атомов азота к материалу, добавление атомов серы к материалу или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ включает кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO2, озон или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа. В некоторых вариантах осуществления, стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняют одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования кавитационных пузырей включает нуклеацию кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в или в 1 мм от зоны нуклеации кавитационных пузырей, где зона нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно вовнутрь или в 1 мм от кавитационного облака. В некоторых вариантах осуществления, способ функционализации материала включает заканчивающуюся доставку газа и сохранение дисперсии в зоне кавитации, в то время как газ не доставляют в зону кавитации. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения, и в то время как газ не доставляют в зону кавитации, способ функционализации далее, включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней.In one aspect, provided herein is a method for functionalizing a liquid-dispersed material, wherein the liquid-dispersed material is a first dispersion, wherein the method comprises the steps of: delivering the first dispersion to a cavitation reactor; where the liquid contains at least one liquid organic compound; formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the hydrodynamic cavitation reactor; and delivering a gas containing at least one gaseous organic compound directly to the cavitation zone of the cavitation reactor; thus functionalizing the material to form a second dispersion, wherein the second dispersion contains the functionalized material dispersed in a liquid. In some embodiments, the functionalization of a material includes chemical, physical, or both chemical and physical functionalization of the material. In some embodiments, the material is a carbon material, including graphite, expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon nanotubes, carbon onions, or other carbon allotrope, hexagonal boron nitride, or any combination thereof. In some embodiments, the functionalized material includes graphene oxide. In some embodiments, functionalization includes adding oxygen atoms to a material, removing oxygen atoms from a material, adding nitrogen atoms to a material, adding sulfur atoms to a material, or a combination thereof. In some embodiments, the gas includes oxygen, steam, hydrogen, nitrogen, sulfur dioxide, CO 2 , ozone, or any combination thereof. In some embodiments, the gas is delivered directly to the cavitation zone during the gas delivery step. In some embodiments, the cavitation bubble formation and gas delivery steps are performed simultaneously or nearly simultaneously (e.g., within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within 15 seconds, within 10 seconds, within 5 seconds, or within 1 second). In some embodiments, the step of forming the cavitation bubbles includes nucleating the cavitation bubbles. In some embodiments, during the gas delivery step, gas is delivered directly to or within 1 mm of the cavitation bubble nucleation zone, where the cavitation bubble nucleation zone corresponds to cavitation bubble nucleation in the hydrodynamic cavitation reaction during the formation step. In some embodiments, the formation step includes forming a cavitation cloud containing cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor, where the gas is delivered directly into or 1 mm from the cavitation cloud. In some embodiments, the material functionalization method includes terminating the gas delivery and keeping the dispersion in the cavitation zone while no gas is delivered to the cavitation zone. In some embodiments, during the stage of maintaining the dispersion in the cavitation zone and after the completion stage, and while no gas is delivered to the cavitation zone, the functionalization method further includes the step of degassing the dispersion to reduce the concentration of gas trapped therein.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

ФИГ. 1 иллюстрирует типовой гидродинамический кавитационный реактор или его часть, согласно определенным вариантам осуществления изобретения.FIG. 1 illustrates a typical hydrodynamic cavitation reactor, or part thereof, in accordance with certain embodiments of the invention.

ФИГ. 2 показывает график напряжения к тока необработанного графена, восстановленного графена, и восстановленного графена, обработанного ацетиленом в варианте осуществления изобретения.FIG. 2 shows a voltage versus current plot of untreated graphene, reduced graphene, and acetylene treated reduced graphene in an embodiment of the invention.

ФИГ. 3 показывает изображение сканирующей электронной микроскопии (SEM) графеноподобных пластинок, полученных в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 3 shows a scanning electron microscopy (SEM) image of graphene-like plates obtained in accordance with an embodiment of the invention.

ФИГ. 4 показывает график энергии (keV) к интенсивности с применением данных рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (EDS), измеренных для двух порций пластинок, показанных на ФИГ. 3 (наложение спектра 5 и спектра 6).FIG. 4 shows a plot of energy (keV) versus intensity using X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS) data measured on two portions of the plates shown in FIG. 3 (superposition of spectrum 5 and spectrum 6).

ФИГ. 5A и ФИГ. 5B показывают дополнительные изображения SEM типовых графеноподобных пластинок, полученных в вариантах осуществления способов, описанных в настоящем документе.FIG. 5A and FIG. 5B show additional SEM images of exemplary graphene-like wafers obtained in embodiments of the methods described herein.

ФИГ. 6A-6B: ФИГ. 6A показывает изображение SEM графеноподобных пластинок микронного размера с квадратами (маркированными как «1» и «2»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 6B (квадрат 1 соответствует «Спектру 1» и квадрат 2 соответствует «Спектру 2»). ФИГ. 6B показывает спектры EDS атомных концентраций элементов, рассчитанных из спектров EDS, в углеродном материале в областях, определенных на ФИГ. 6А.FIG. 6A-6B: FIG. 6A shows an SEM image of micron-sized graphene-like plates with squares (labeled "1" and "2") identifying regions corresponding to the EDS spectra shown in FIG. 6B (square 1 corresponds to "Spectrum 1" and square 2 corresponds to "Spectrum 2"). FIG. 6B shows the EDS spectra of the atomic concentrations of elements calculated from the EDS spectra in the carbon material in the regions defined in FIG. 6A.

ФИГ. 7A-7B: ФИГ. 7A показывает изображение SEM графеноподобных пластинок микронного размера с квадратами (маркированный как «5» и «6»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 7B (квадрат 5 соответствует «Спектру 5» и квадрат 6 соответствует «Спектру 6»). ФИГ. 7B показывает спектры EDS и таблицу, суммирующую атомные концентрации элементов, вычисленных из спектров EDS, в углеродном материале в областях, определенных на ФИГ. 7А.FIG. 7A-7B: FIG. 7A shows an SEM image of micron-sized graphene-like plates with squares (labeled "5" and "6") identifying regions corresponding to the EDS spectra shown in FIG. 7B (square 5 corresponds to "Spectrum 5" and square 6 corresponds to "Spectrum 6"). FIG. 7B shows the EDS spectra and a table summarizing the atomic concentrations of elements calculated from the EDS spectra in the carbon material in the regions defined in FIG. 7A.

ФИГ. 8A-8B показывают изображения SEM углеродного материала согласно Примеру 4B.FIG. 8A-8B show SEM images of the carbon material according to Example 4B.

ФИГ. 9A-9B показывают данные интенсивности светорассеяния для углеродного материала согласно Примеру 5А.FIG. 9A-9B show light scattering intensity data for the carbon material according to Example 5A.

ФИГ. 10A-10B показывают количественный гранулометрический состав для углеродного материала согласно Примеру 5А.FIG. 10A-10B show the quantitative particle size distribution for the carbon material according to Example 5A.

ФИГ. 11A-11B показывают данные подвижности для определения Дзета-потенциала, для дисперсии углеродного материала согласно Примеру 5А.FIG. 11A-11B show Zeta potential mobility data for the carbon material dispersion according to Example 5A.

ФИГ. 12A-12B показывают изображения SEM и данные EDS, соответствующие углеродному материалу согласно Примеру 5B.FIG. 12A-12B show SEM images and EDS data corresponding to the carbon material of Example 5B.

ФИГ. 13A-13B показывают изображение SEM и данные EDS, соответствующие углеродному материалу согласно Примеру 10.FIG. 13A-13B show the SEM image and EDS data corresponding to the carbon material of Example 10.

ФИГ. 14 показывает график Коэффициента Трения ко Времени для необработанного машинного масла Syn 530 (верх) и обработанного машинного масла (низ) Syn 530, где «обработанное» относится к способу получения углеродных материалов, описанных в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Данные демонстрируют, что уменьшенный след износа и коэффициент трения от присутствия нанокристаллического углеродного материала, сформированного во время кавитации в машинном масле Syn 530, включающем захваченный газообразный пропан с применением высокого сдвига, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.FIG. 14 shows a Friction-to-Time plot for untreated Syn 530 engine oil (top) and processed Syn 530 engine oil (bottom), where "treated" refers to the method of producing the carbon materials described herein, according to certain embodiments. The data demonstrates that reduced wear marks and coefficient of friction from the presence of nanocrystalline carbon material formed during cavitation in Syn 530 engine oil incorporating captured propane gas using high shear, according to the embodiments described herein.

ФИГ. 15 показывает график коэффициента Трения ко Времени для необработанного масла AMSOIL™ (верх) и обработанного масла AMSOIL™ (низ), где «обработанное» относится к способу получения углеродных материалов, описанных в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Данные демонстрируют уменьшенный след износа и коэффициент трения от присутствия нанокристаллического углеродного материала, сформированного во время кавитации в машинном масле AMSOIL™, включающей захваченный газообразный пропан, с применением высокого сдвига, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.FIG. 15 shows a graph of Friction versus Time for untreated AMSOIL™ oil (top) and treated AMSOIL™ oil (bottom), where “treated” refers to the method of producing the carbon materials described herein, in accordance with certain embodiments. The data demonstrates reduced wear marks and coefficient of friction from the presence of nanocrystalline carbon material formed during cavitation in AMSOIL™ engine oil incorporating entrained propane gas using high shear, according to the embodiments described herein.

ФИГ. 16 показывает график Коэффициента Трения ко Времени для необработанного масла MOBILE 1™ (верх) и обработанного масла MOBILE 1™ (низ), где «обработанное» относится к способу получения углеродных материалов, описанных в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Данные демонстрируют уменьшенный след износа и коэффициент трения от присутствия нанокристаллического углеродного материала, сформированного во время кавитации в машинном масле MOBILE 1™, включающей захваченный газообразный пропан, с применением высокого сдвига, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.FIG. 16 shows a Friction-to-Time plot for untreated MOBILE 1™ oil (top) and treated MOBILE 1™ oil (bottom), where "treated" refers to the method of producing the carbon materials described herein, in accordance with certain embodiments. The data demonstrates reduced wear marks and coefficient of friction from the presence of nanocrystalline carbon material formed during cavitation in MOBILE 1™ engine oil incorporating entrained propane gas using high shear, according to the embodiments described herein.

ФИГ. 17A-17B показывают данные подвижности для определения Дзета-потенциала для дисперсии углеродного материала согласно Примеру 11А.FIG. 17A-17B show mobility data for determining the Zeta potential for the carbon material dispersion according to Example 11A.

ФИГ. 18 показывает схему типового батарейного реактора со сдвигом.FIG. 18 shows a schematic of a typical shift stack reactor.

ФИГ. 19 показывает схему типового высокоскоростного реактора со сдвигом.FIG. 19 shows a diagram of a typical high speed shear reactor.

ФИГ. 20 показывает схему типового многофункционального реактора.FIG. 20 shows a diagram of a typical multifunctional reactor.

ФИГ. 21 показывает схему типового кавитационного реактора обработки ультразвуком (например, реактора с ультразвуковым зондом).FIG. 21 shows a diagram of a typical cavitation sonication reactor (eg, ultrasonic probe reactor).

ФИГ. 22 показывает диаграмму Kобщий к оборотам мешалки из книги, «Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering» by Jonathan Wostell, 2016.FIG. 22 shows a plot of K total to stirrer speed from the book, "Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering" by Jonathan Wostell, 2016.

ФИГ. 23 показывает типовой реактор с механическим перемешиванием, согласно определенным вариантам осуществления.FIG. 23 shows a typical mechanically agitated reactor, in accordance with certain embodiments.

ФИГ. 24 показывает иллюстрации, соответствующие лопастной мешалке для индуцирования газа для реактора с механическим перемешиванием.FIG. 24 shows illustrations corresponding to a gas induction paddle for a mechanically stirred reactor.

ФИГ. 25 показывает SEM, демонстрирующий имеющий мало слоев графеноподобный материал, произведенный в высокотемпературном реакторе высокого давления с перемешиванием путем впрыска газообразного пропана в жидкий толуол в течение 30 минут при давлении 80 ф./кв.д. и температуре 60°C.FIG. 25 shows an SEM showing a low-layer graphene-like material produced in a high-temperature, high-pressure stirred reactor by injecting propane gas into liquid toluene for 30 minutes at 80 psi. and temperature 60°C.

ФИГ. 26 показывает EDS атомных долей элементов в оксиде графена.FIG. 26 shows the EDS of atomic fractions of elements in graphene oxide.

ФИГ. 27 показывает EDS атомных долей элементов в восстановленном оксиде графена (восстановленный оксид графена с ФИГ. 26).FIG. 27 shows the EDS of element atomic fractions in reduced graphene oxide (reduced graphene oxide of FIG. 26).

ФИГ. 28 показывает EDS атомных долей элементов в чистом графене.FIG. 28 shows the EDS of the atomic fractions of elements in pure graphene.

ФИГ. 29 показывает EDS атомных долей элементов в частично окисленном (с окисленным краем) графене (окисленный графен с ФИГ. 28).FIG. 29 shows the EDS of atomic fractions of elements in partially oxidized (oxidized edge) graphene (oxidized graphene of FIG. 28).

ФИГ. 30 иллюстрирует данные, показывающие то, что если диспергированный в воде графен с окисленным краем добавляется к водной части Master Chemical 685, происходит 26% восстановление крутящего момента, требуемого для формирования нитей в стали.FIG. 30 illustrates data showing that if water-dispersed oxidized edge graphene is added to the aqueous portion of Master Chemical 685, there is a 26% recovery in the torque required to form filaments in steel.

ФИГ. 31 показывает данные Дзета-потенциала для катионного графена, полученного согласно определенным вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.FIG. 31 shows Zeta potential data for cationic graphene prepared according to certain embodiments described herein.

ЗАЯВЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И НОМЕНКЛАТУРЫSTATEMENTS REGARDING CHEMICAL COMPOUNDS AND NOMENCLATURE

В целом термины и фразы, используемые в настоящем документе, имеют обычное в данной области техники значение, которое может быть найдено по ссылке в стандартных текстах, ссылках в журнале и из контекстов, известных специалистам в данной области техники. Следующие определения предоставлены для разъяснения их конкретного использования в контексте изобретения.In general terms and phrases used herein have their usual meaning in the art as found by reference in standard texts, journal references, and from contexts known to those skilled in the art. The following definitions are provided to clarify their specific use in the context of the invention.

Не желая быть связанным какой-то конкретной теорией, в настоящем документе может быть обсуждение представлений или понимания основных принципов, касающихся устройств и способов, описанных в настоящем документе. Признано, что независимо от окончательной правильности любого механистического объяснения или гипотезы, вариант осуществления изобретения может, тем не менее, быть рабочим и полезным.Without wishing to be bound by any particular theory, this document may be a discussion of the views or understanding of the basic principles regarding the devices and methods described in this document. It is recognized that regardless of the ultimate correctness of any mechanistic explanation or hypothesis, an embodiment of the invention may nevertheless be operable and useful.

Как используется в настоящем документе, термин «органическое соединение» относится к химическим вилам, охарактеризованным химической формулой, имеющей, по меньшей мере, один атом углерода (C). Например, метан (CH4) является газообразным органическим соединением. Например, этанол является жидким органическим соединением. Термин «жидкое органическое соединение» относится к органическому соединению, которое является по существу жидким в условиях способа, в котором оно используется (например, его температура кипения больше, чем объемная температура жидкости во время выполняемого способа). Термин «газообразное органическое соединение» относится к органическому соединению, которое является по существу газообразным в условиях способа, в котором оно используется (например, его температура кипения меньше, чем объемная температура газа во время выполняемого способа).As used herein, the term "organic compound" refers to a chemical species characterized by a chemical formula having at least one carbon atom (C). For example, methane (CH 4 ) is a gaseous organic compound. For example, ethanol is a liquid organic compound. The term "liquid organic compound" refers to an organic compound that is essentially liquid under the conditions of the method in which it is used (for example, its boiling point is greater than the bulk temperature of the liquid during the process). The term "gaseous organic compound" refers to an organic compound that is essentially gaseous under the conditions of the process in which it is used (eg, its boiling point is less than the bulk temperature of the gas during the process being performed).

Термин «кавитация» относится к формированию паровых пустот или «кавитационных пузырей» в жидкости в результате изменения давления (обычно быстрого изменения давления) показанного или переданного на жидкость. Например, жидкость, подвергшаяся внезапному расширению, такая как жидкость, выходящая из маленького отверстия и входящая в больший объем, может испытать внезапный спад давления, достаточный, чтобы привести к формированию кавитационных пузырей. Кавитация может быть вызвана одной или комбинацией сил или источников энергии, включая, но не ограничиваясь ими, изменение давления из-за объемного расширения, обработку ультразвуком (также упомянутую в настоящем документе как обработка звуком). Даже при том, что кавитация может произойти в реакторе с высоким сдвигом, особенно с впрыскиванием газа, главная реакция, вероятно, происходит в результате сдвига. Гидродинамическая кавитация включает кавитацию, индуцированную или вызванную изменением давления, переданным или испытываемым жидкостью, например, из-за изменения объема, например, из-за прохождения жидкости в, через, и из отверстия. Ультразвуковая кавитация (также упомянутая в настоящем документе как звуковая кавитация или ультразвуковая кавитация) относится к кавитации, индуцированной или вызванной обработкой ультразвуком, переданной на или испытываемой жидкостью. Формирование кавитационного пузыря включает первую нуклеацию кавитационного пузыря. Кавитация может быть связана с формированием множества кавитационных пузырей, так, что сумма кавитационных пузырей, существующих в любой момент, формирует «кавитационное облако». Кавитационное облако соответствует зоне жидкости, включающей кавитационные пузыри, которая, в некоторых вариантах осуществления, включает любую зону или местоположение, где нуклеирует кавитационный пузырь. The term "cavitation" refers to the formation of vapor voids or "cavitation bubbles" in a liquid as a result of a change in pressure (usually a rapid pressure change) indicated by or transmitted to the liquid. For example, a fluid undergoing a sudden expansion, such as a fluid exiting a small orifice and entering a larger volume, may experience a sudden drop in pressure sufficient to cause cavitation bubbles to form. Cavitation can be caused by one or a combination of forces or energy sources, including, but not limited to, pressure change due to volume expansion, sonication (also referred to herein as sonication). Even though cavitation may occur in a high shear reactor, especially with gas injection, the main reaction is likely to occur as a result of shear. Hydrodynamic cavitation includes cavitation induced or caused by a change in pressure transmitted or experienced by a fluid, such as due to a change in volume, such as due to passage of the fluid into, through, and out of an orifice. Ultrasonic cavitation (also referred to herein as sonic cavitation or ultrasonic cavitation) refers to cavitation induced or caused by sonication transmitted to or by a liquid being tested. The formation of the cavitation bubble includes the first nucleation of the cavitation bubble. Cavitation can be associated with the formation of multiple cavitation bubbles, so that the sum of the cavitation bubbles existing at any given moment forms a "cavitation cloud". A cavitation cloud corresponds to a zone of fluid including cavitation bubbles, which, in some embodiments, includes any zone or location where a cavitation bubble nucleates.

Как используется в настоящем документе, термин «кавитационный реактор» относится к реактору, индуцирующему или вызывающему кавитацию в жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, кавитационный реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, ультразвуковым кавитационным реактором или многофункциональным кавитационным реактором.As used herein, the term "cavitation reactor" refers to a reactor that induces or causes cavitation in a liquid. Preferably, but not necessarily, the cavitation reactor is a hydrodynamic cavitation reactor, an ultrasonic cavitation reactor, or a multifunctional cavitation reactor.

«Гидродинамическим кавитационным реактором» является реактор, сконфигурированный так, чтобы индуцировать или вызвать гидродинамическую кавитацию в жидкости. Предпочтительно, гидродинамический кавитационный реактор является системой, включающей одну или несколько зон индуцирования кавитации (формирования кавитационных пузырей) в жидкости. Гидродинамический кавитационный реактор обычно включает предкавитационную зону и зону кавитации. В некоторых вариантах осуществления гидродинамический кавитационный реактор включает, по меньшей мере, одно отверстие (например, просвет, зазор, канал, вырез, перфорацию) таким образом, что жидкость течет из зоны предкавитации, через отверстие, в зону кавитации. Гидродинамические кавитационные реакторы, применяемые в способах, описанных в настоящем документе, могут включать множество конфигураций и зон/оборудования для формирования кавитационных пузырей, включая, но не ограничиваясь ими, отверстия, форсунки, трубки Вентури, роторы и любые их комбинации или другие признаки, известные в данной области техники. A "hydrodynamic cavitation reactor" is a reactor configured to induce or cause hydrodynamic cavitation in a liquid. Preferably, the hydrodynamic cavitation reactor is a system including one or more zones for inducing cavitation (formation of cavitation bubbles) in a liquid. A hydrodynamic cavitation reactor typically includes a pre-cavitation zone and a cavitation zone. In some embodiments, the hydrodynamic cavitation reactor includes at least one opening (eg, lumen, gap, channel, notch, perforation) such that fluid flows from the pre-cavitation zone, through the opening, into the cavitation zone. Hydrodynamic cavitation reactors used in the methods described herein may include a variety of configurations and zones/equipment for the formation of cavitation bubbles, including, but not limited to, holes, nozzles, venturis, rotors, and any combination thereof or other features known in this field of technology.

«Реактор со сдвигом», реактор, сконфигурированный так, чтобы индуцировать или вызвать сдвиг в жидкости. ФИГ. 18 показывает, что типовой батарейный реактор со сдвигом (реактор со сдвигом), такой как устройство FM Fuko Bench с высоким сдвигом. ФИГ. 19 показывает смеситель со сдвигом, такой как Charles Ross HSM-700 встроенный высокоскоростной реактор со сдвигом типа ротор-статор, который также способен индуцировать кавитацию, когда впрыскивается газ."Shear reactor", a reactor configured to induce or cause shear in a fluid. FIG. 18 shows that a typical shear stack reactor (shear reactor) such as the high shear FM Fuko Bench device. FIG. 19 shows a shear mixer such as the Charles Ross HSM-700 inline high speed rotor-stator type shear reactor which is also capable of inducing cavitation when gas is injected.

«Ультразвуковой кавитационный реактор» является реактором, сконфигурированным так, чтобы индуцировать или вызвать ультразвуковую кавитацию в жидкости.An "ultrasonic cavitation reactor" is a reactor configured to induce or cause ultrasonic cavitation in a liquid.

«Многофункциональный реактор» является реактором, включающим множество реакторов или множество различных механизмов/процессов для индуцирования химической реакции, через которую получают твердый углеродный материал. Многофункциональный реактор может быть многофункциональным кавитационным реактором, включающим множество кавитационных реакторов, или кавитационным реактором, индуцирующим или вызывающим кавитацию в жидкости через множество типов кавитации (или, энергий или сил, индуцирующих или вызывающих кавитацию). Например, многофункциональный реактор может включать множество механизмов для индуцирования или вызова кавитации в жидкости. Например, многофункциональный реактор может быть сконфигурирован так, чтобы индуцировать или вызвать, по меньшей мере, две из гидродинамической кавитации, ультразвуковой кавитации, и сдвига в жидкости. ФИГ. 20 показывает схему многофункционального кавитационного реактора, включающего гидродинамический кавитационный реактор и реактор со сдвигом. Согласно определенным вариантам осуществления, многофункциональный кавитационный реактор включает два реактора, соединенные последовательно, как показано на ФИГ. 20. Первый реактор, такой как гидродинамический кавитационный реактор с подачей газа, может создавать твердый углеродный материал, такой как графеноподобные материалы, например, при спаде давления в жидкости при прохождении через одно или несколько отверстий, и впрыске газа около точки(ек) нуклеации кавитационного пузыря(ей). Согласно определенным вариантам осуществления, жидкость (теперь наполненная углеродным материалом) затем пропускают через второй реактор, такой как реактор с высоким сдвигом, где графеноподобный материал, например, может быть сдвинут в кристаллические частицы. Согласно определенным вариантам осуществления, никакой газ не впрыскивается во втором реакторе, таком как реактор с высоким сдвигом.A "multifunctional reactor" is a reactor including a plurality of reactors or a plurality of different mechanisms/processes for inducing a chemical reaction through which a solid carbon material is produced. The multifunctional reactor may be a multifunctional cavitation reactor including a plurality of cavitation reactors, or a cavitation reactor inducing or causing cavitation in a liquid through a plurality of cavitation types (or energies or forces inducing or causing cavitation). For example, a multifunctional reactor may include a variety of mechanisms for inducing or inducing cavitation in a liquid. For example, a multifunctional reactor may be configured to induce or cause at least two of hydrodynamic cavitation, ultrasonic cavitation, and fluid shear. FIG. 20 shows a diagram of a multifunctional cavitation reactor including a hydrodynamic cavitation reactor and a shear reactor. According to certain embodiments, the multifunctional cavitation reactor includes two reactors connected in series as shown in FIG. 20. A first reactor, such as a hydrodynamic gas-fed cavitation reactor, can create solid carbon material, such as graphene-like materials, for example, by depressurizing the liquid as it passes through one or more orifices, and injecting gas near the nucleation point(s) of the cavitation bubble(s). In certain embodiments, the liquid (now filled with carbon material) is then passed through a second reactor, such as a high shear reactor, where the graphene-like material, for example, can be sheared into crystalline particles. According to certain embodiments, no gas is injected into the second reactor, such as a high shear reactor.

Как используется в настоящем документе, термин «in situ» (или «in-situ») в отношении твердого углеродного материала или процесса получения твердого углеродного материала, такого как in situ сформированный углеродный материал или in situ углеродный материал или in situ процесс получения твердого углеродного материала, относится к углеродному материалу или процессу получения твердого углеродного материала, где углеродный материал получен указанным процессом и не является иначе входом в процесс. Процесс получения углеродного материала может быть способом по любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе, и углеродный материал может быть углеродным материалом(ами) по любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе. Например, жидкость, представленная на входе в in situ процесс, не содержит углеродный материал, и твердый углеродный материал получают в жидкости во время in situ процесса, в этом случае полученный углеродный материал может называться in situ углеродный материал. Например, в in situ процессе получения твердого углеродного материала, жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей в упомянутой жидкости во время in situ процесса. Например, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости в процесс и до формирования кавитационных пузырей. Как описано в другом месте в настоящем документе, in situ углеродный материал может быть получен в зоне реакции реактора, такого как зона кавитации или кавитационное облако, кавитационного реактора во время способа получения углеродного материала. As used herein, the term "in situ" (or "in-situ") in relation to a solid carbon material or a process for producing a solid carbon material, such as an in situ formed carbon material or an in situ carbon material or an in situ process for producing a solid carbon material refers to a carbon material or a process for producing a solid carbon material, where the carbon material is obtained by said process and is not otherwise an input to the process. The process for producing the carbon material may be the method of any embodiment described herein, and the carbon material may be the carbon material(s) of any embodiment described herein. For example, the liquid introduced into the in situ process does not contain carbon material, and the solid carbon material is produced in the liquid during the in situ process, in which case the resulting carbon material may be referred to as in situ carbon material. For example, in an in situ process for producing a solid carbon material, the liquid is substantially free of carbon material during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles in said liquid during the in situ process. For example, the liquid is substantially free of solid particles and is essentially not a colloid, slurry, or sol during the stage of delivering the liquid to the process and prior to the formation of cavitation bubbles. As described elsewhere herein, in situ carbon material can be produced in a reaction zone of a reactor, such as a cavitation zone or cavitation cloud, of a cavitation reactor during a carbon material production process.

Как используется в настоящем документе, термин «хорошо диспергированный» может относится к макрочастице(ам) в жидкости, которые устойчиво диспергированы с минимальным или отсутствием агломерации и/или выпадения в осадок из жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, хорошо диспергированные частицы характеризуются Дзета-потенциалом более чем +40 мВ или менее чем-40 мВ. As used herein, the term "well-dispersed" may refer to particulate(s) in a liquid that are stably dispersed with little or no agglomeration and/or precipitation from the liquid. Preferably, but not necessarily, well-dispersed particles have a Zeta potential greater than +40 mV or less than -40 mV.

Термин «дисперсия» относится к смеси частиц, таких как частицы одного или нескольких твердых углеродных материалов, диспергированных и/или суспендированных в жидкости, которая может упоминаться как растворитель. Коллоидная смесь является типовой дисперсией. Предпочтительно, но не обязательно, дисперсия является гомогенной смесью. В контексте дисперсии термин «гомогенная» относится к жидкой смеси, кажущейся однородной невооруженным глазом. Наоборот, гетерогенная жидкая смесь включает частицы, которые выпадают в осадок из или суспендированы в жидкой смеси и достаточно большие, чтобы отчетливо идентифицироваться невооруженным глазом в жидкой смеси. Гетерогенная жидкая смесь включает, например, осажденные и/или оседающие частицы. Предпочтительно, но не обязательно, термин «дисперсия» широко предназначается для включения растворов и дисперсии, такой как коллоиды, которые не являются гетерогенными жидкими смесями. Предпочтительно, но не обязательно, дисперсия является микроскопически гомогенной или однородной смесью частиц в жидкости, такой как растворитель. Предпочтительно, но не обязательно, дисперсия термодинамически благоприятна, чтобы остаться стабильно диспергированной или термодинамически благоприятной для разделения осаждением, но где осаждение кинетически замедлено или предотвращено. Частицы, дисперсии, которые характеризуются, как стабильно диспергированные, остаются диспергированными в дисперсии и не выпадают в осадок или осаждаются из жидкости дисперсии в течение, по меньшей мере, 5 часов, предпочтительно, по меньшей мере, 12 часов, предпочтительно, по меньшей мере, 24 часов и более предпочтительно, по меньшей мере, 1 недели, при обычной температуре и давлении (NTP) и под воздействием воздуха.The term "dispersion" refers to a mixture of particles, such as particles of one or more solid carbon materials, dispersed and/or suspended in a liquid, which may be referred to as a solvent. The colloidal mixture is a typical dispersion. Preferably, but not necessarily, the dispersion is a homogeneous mixture. In the context of dispersion, the term "homogeneous" refers to a liquid mixture that appears homogeneous to the naked eye. Conversely, a heterogeneous liquid mixture includes particles that precipitate out of or are suspended in the liquid mixture and are large enough to be clearly identifiable to the naked eye in the liquid mixture. The heterogeneous liquid mixture includes, for example, settled and/or settling particles. Preferably, but not necessarily, the term "dispersion" is broadly intended to include solutions and dispersions, such as colloids, that are not heterogeneous liquid mixtures. Preferably, but not necessarily, the dispersion is a microscopically homogeneous or homogeneous mixture of particles in a liquid, such as a solvent. Preferably, but not necessarily, the dispersion is thermodynamically favorable to remain stably dispersed, or thermodynamically favorable to settling separation, but where settling is kinetically retarded or prevented. Particles, dispersions that are characterized as being stably dispersed, remain dispersed in the dispersion and do not precipitate or settle out of the dispersion liquid for at least 5 hours, preferably at least 12 hours, preferably at least 24 hours and more preferably at least 1 week, at normal temperature and pressure (NTP) and under the influence of air.

Как используется в настоящем документе, термин «углеродный материал» относится к твердому углеродному материалу. Термин «углеродный материал» или «твердый углеродный материал», как используется в настоящем документе, не относится к жидкому органическому соединению (такому как жидкое органическое соединение жидкости, доставляемой в реактор), и не относится к газообразному органическому соединению (такому как газообразное органическое соединение газа, доставляемого в реактор). Типовые углеродные материалы включают, но не ограничиваются ими, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные нанотрубки, углеродный луковицы, другие углеродные аллотропы, композит, содержащий графен, катионный графен, и любые их комбинации.As used herein, the term "carbon material" refers to a solid carbon material. The term "carbon material" or "solid carbon material" as used herein does not refer to a liquid organic compound (such as a liquid organic compound of a fluid delivered to a reactor), and does not refer to a gaseous organic compound (such as a gaseous organic compound gas delivered to the reactor). Typical carbon materials include, but are not limited to, graphite, expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon nanotubes, carbon onions, other carbon allotropes, graphene containing composite, cationic graphene, and any combinations thereof.

Термин «одновременный» относится к одному и тому же времени в пределах обнаружения. Термин «почти одновременно» включает в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, предпочтительно в течение 1 минуты, более предпочтительно, в течение 30 секунд, предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 15 секунд, предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 10 секунд, предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 5 секунд, или более предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 1 секунды.The term "simultaneous" refers to the same time within detection. The term "almost simultaneously" includes within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, preferably within 1 minute, more preferably within 30 seconds, preferably within 15 seconds in some embodiments, preferably within in some embodiments, within 10 seconds, preferably, in some embodiments, within 5 seconds, or more preferably, in some embodiments, within 1 second.

Газ, захваченный в жидкости, является, например, газом, растворенным в жидкости. Впрыскиваемый газ является, например, впрыскиваемым газом, например, через разность давлений, в жидкость, таким образом, что газ вводится в или другим образом существует в жидкости (например, в начале формирования пузыря). Барботирование газа в жидкость является примером впрыскивания газа в жидкость.A gas trapped in a liquid is, for example, a gas dissolved in a liquid. An injected gas is, for example, a gas injected, for example, through a pressure difference, into a liquid, such that the gas is injected into or otherwise exists in the liquid (eg, at the start of bubble formation). Bubbling a gas into a liquid is an example of injecting a gas into a liquid.

Термин «объемная температура» относится к средней температуре существенной доли жидкости или материала. Например, объемная температура жидкости может быть примерно комнатной температурой, даже при том, что жидкость может содержать местные вариации в температуре, например, при in situ формировании кавитационного пузыря и коллапса, где местная температура может превысить объемную температуру. Например, местная температура жидкости может соответствовать температуре жидкости в масштабе 1 нм3 или меньше, 10 мкм3 или меньше, 100 мкм3 или меньше, или 1 мм3 или меньше. Например, местная температура жидкости может соответствовать температуре жидкости в масштабе, большем, чем 1 мм3.The term "bulk temperature" refers to the average temperature of a substantial fraction of a liquid or material. For example, the bulk temperature of the fluid may be about room temperature, even though the fluid may contain local variations in temperature, such as in situ cavitation bubble formation and collapse, where the local temperature may exceed the bulk temperature. For example, the local fluid temperature may correspond to the fluid temperature on a scale of 1 nm 3 or less, 10 μm 3 or less, 100 μm 3 or less, or 1 mm 3 or less. For example, the local temperature of the liquid may correspond to the temperature of the liquid on a scale greater than 1 mm 3 .

Как используется в настоящем документе, термин «полимер» относится к молекуле, состоявшей из повторяющихся структурных единиц, связанных ковалентными химическими связями, часто характеризуемыми значительным числом повторяющихся единиц (например, равным или больше, чем 3 повторяющихся единицы, необязательно, в некоторых вариантах осуществления, равным или больше, чем 10 повторяющихся единиц, в некоторых вариантах осуществления, больше, чем или равным 30 повторяющихся единиц) и высокой среднечисловой молекулярной массой (например, больше, чем 1000 дальтонов, больше, чем или равной 10000 дальтонов, в некоторых вариантах осуществления, больше, чем или равной 50000 дальтонов или больше, чем или равной 100000 дальтонов). Полимеры обычно являются продуктом полимеризации одного или нескольких предшественников мономера. Термин полимер включает гомополимеры, т.е. полимеры, состоящие по существу из единственной повторяющейся субъединицы мономера. Термин полимер также включает сополимеры, сформированные, когда два или больше различных типов мономеров соединены в одном полимере. Сополимеры могут содержать две или несколько подъединиц мономера и иметь произвольную, блочную, щеточную, блочно-щеточную, чередующуюся, сегментированную, привитую, веретенообразную и другую архитектуру. Полезные полимеры включают органические полимеры или неорганические полимеры, которые могут быть в аморфных, полуаморфных, кристаллических или полукристаллических состояниях. Боковые цепи полимера, способные к поперечному сшиванию полимеров (например, физическому поперечному сшиванию), могут быть полезны для некоторых областей. Полезные сополимеры включают блок-сополимеры и/или привитые сополимеры. Типовые полимеры включают, но не ограничиваются ими, те, которые имеют повторяющиеся единицы, имеющие одну или несколько незамещенных или замещенных полиизоцианатных групп, полиметакрилатных групп, полиакрилатных групп, полметакриламидных групп, полиакриламидных групп, полихиноксалиновых групп, полигуанидиновых групп, полисилановых групп, полиацетиленовых групп, полиаминокислотных групп, полипептидных групп, полихлораловых групп, полилактидных групп, полистирольных групп, полиакрилатных групп, поли-трет-бутилакрилатных групп, полиметилметакрилатных групп, полисилоксановых групп, полидиметилсилоксановых групп, поли-н-бутилакрилатных групп, полиэтиленгликолевых групп, полиэтиленоксидных групп, полиэтиленовых групп, полипропиленовых групп, политетрафлюороэтиленовых групп, поливинилхлоридных групп и любой их комбинации.As used herein, the term "polymer" refers to a molecule composed of repeating structural units linked by covalent chemical bonds, often characterized by a significant number of repeating units (e.g., equal to or greater than 3 repeating units, optionally, in some embodiments, equal to or greater than 10 repeat units, in some embodiments, greater than or equal to 30 repeat units) and high number average molecular weight (e.g., greater than 1000 daltons, greater than or equal to 10,000 daltons, in some embodiments, greater than or equal to 50,000 Daltons or greater than or equal to 100,000 Daltons). Polymers are typically the polymerization product of one or more monomer precursors. The term polymer includes homopolymers, ie. polymers consisting essentially of a single repeating monomer subunit. The term polymer also includes copolymers formed when two or more different types of monomers are combined in one polymer. The copolymers can contain two or more monomer subunits and have random, block, brush, block-brush, alternating, segmented, graft, fusiform, and other architectures. Useful polymers include organic polymers or inorganic polymers, which may be in amorphous, semi-amorphous, crystalline or semi-crystalline states. Polymer side chains capable of cross-linking polymers (eg, physical cross-linking) may be useful in some areas. Useful copolymers include block copolymers and/or graft copolymers. Exemplary polymers include, but are not limited to, those having repeating units having one or more unsubstituted or substituted polyisocyanate groups, polymethacrylate groups, polyacrylate groups, polymethacrylamide groups, polyacrylamide groups, polyquinoxaline groups, polyguanidine groups, polysilane groups, polyacetylene groups, polyamino acid groups, polypeptide groups, polychloral groups, polylactide groups, polystyrene groups, polyacrylate groups, polytert- butyl acrylate groups, polymethyl methacrylate groups, polysiloxane groups, polydimethylsiloxane groups, poly-n-butyl acrylate groups, polyethylene glycol groups, polyethylene oxide groups, polyethylene groups, polypropylene groups, polytetrafluoroethylene groups, polyvinyl chloride groups, and any combination thereof.

Как используется в настоящем документе, термин «группа» относится к функциональной группе химического соединения. Группы данных соединений относятся к атому или коллекции атомов, которые являются частью соединения. Группы настоящего изобретения могут быть присоединены к другим атомам комплекса через одну или несколько ковалентных связей. Группы могут также быть охарактеризованы относительно их валентности. Настоящее изобретение включает группы, характеризуемые одновалентной, двухвалентной, трехвалентной и т.д. валентностью.As used herein, the term "group" refers to the functional group of a chemical compound. Compound data groups refer to the atom or collection of atoms that are part of the compound. The groups of the present invention may be attached to other atoms of the complex through one or more covalent bonds. Groups can also be characterized with respect to their valency. The present invention includes groups characterized by monovalent, divalent, trivalent, etc. valence.

«Олигомер» относится к молекуле, состоявшей из повторения структурных единиц, связанных ковалентными химическими связями, часто характеризуемыми количеством повторяющихся единиц, меньшим, чем таковое для полимера (например, равным или меньше чем 3 повторяющихся единицы) и более низкой среднечисловой молекулярной массой (например, меньше чем или равной 1000 дальтонов), чем полимеры. Олигомеры могут быть продуктом полимеризации одного или нескольких предшественников мономера. "Oligomer" refers to a molecule composed of a repeat of structural units linked by covalent chemical bonds, often characterized by a number of repeat units less than that of a polymer (e.g., equal to or less than 3 repeat units) and a lower number average molecular weight (e.g., less than or equal to 1000 daltons) than polymers. The oligomers may be the polymerization product of one or more monomer precursors.

Термин «форполимер» или «форполимер» относится к мономеру или смеси, включающей один или несколько мономеров, где мономер(ы) реагируют до промежуточного состояния молекулярной массы. Форполимер способен к дальнейшей полимеризации до полностью отвержденному более высокому состоянию молекулярной массы. В некоторых вариантах осуществления, термины форполимер и мономер используются взаимозаменяемо.The term "prepolymer" or "prepolymer" refers to a monomer or a mixture comprising one or more monomers, where the monomer(s) react to an intermediate molecular weight state. The prepolymer is capable of further polymerization to a fully cured higher molecular weight state. In some embodiments, the terms prepolymer and monomer are used interchangeably.

Если не указано иное, термин «молекулярная масса» относится к средней молекулярной массе. Если не указано иное, термин «средняя молекулярная масса», относится к среднечисловой молекулярной массе. Среднечисловая молекулярная масса определяется как общая масса объема образца, разделенная на количество молекул в образце. Как обычно и известно в данной области техники, среднепиковая молекулярная масса и средневесовая молекулярная масса могут также использоваться для характеристики молекулярной массы распределения полимеров в образце. Unless otherwise indicated, the term "molecular weight" refers to the average molecular weight. Unless otherwise indicated, the term "average molecular weight" refers to the number average molecular weight. The number average molecular weight is defined as the total volume weight of the sample divided by the number of molecules in the sample. As is commonly known in the art, peak average molecular weight and weight average molecular weight can also be used to characterize the molecular weight distribution of polymers in a sample.

Термин «средневесовая молекулярная масса» (Mw) относится к средней молекулярной массе, определенной как сумма произведений молекулярной массы каждой молекулы полимера (Mi) умноженная на его массовую долю (wi): Mw=ΣwiMi. Как обычно и известно в данной области техники, среднепиковая молекулярная масса и среднечисловая молекулярная масса может также использоваться для характеристики молекулярной массы распределения полимеров в образце.The term "weight average molecular weight" (M w ) refers to the average molecular weight, defined as the sum of the products of the molecular weight of each polymer molecule (M i ) times its mass fraction ( wi ): M w =Σw i M i . As is commonly known in the art, peak average molecular weight and number average molecular weight can also be used to characterize the molecular weight distribution of polymers in a sample.

Термин «по существу» относится к свойству или условию, которое на 20%, на 10%, на 5%, на 1% или эквивалентно эталонному свойству или условию. Термин «по существу равный», «по существу эквивалентный» или «по существу неизменный» при использовании вместе с эталонным значением, описывающим свойство или условие, относится к свойству или условию, которое на 20%, на 10%, на 5%, на 1%, на 0,1% или необязательно эквивалентна представленному эталонному значению или условию. Например, концентрация по существу равна 1% масс., если значение концентрации на 20%, на 10%, на 5%, на 1% или равно 1% масс. Например, по существу весь материал или жидкость находится в конкретной области, если, по меньшей мере, 80% (например, объема, молей или массы), по меньшей мере, 90%, по меньшей мере, 95%, по меньшей мере, 95% или 100% материала или жидкости находится в конкретной области. Термин «по существу больший» при использовании вместе с эталонным значением или условием, описывающим свойство или условие, относится к значению, которое, по меньшей мере, на 2%, по меньшей мере, на 5%, по меньшей мере, на 10% или, по меньшей мере, на 20% больше, чем представленное эталонное значение или условие. Термин «по существу меньше» при использовании вместе с эталонным значением или условием, описывающим свойство или условие, относится к значению или условию, которое, по меньшей мере, на 2%, по меньшей мере, на 5%, по меньшей мере, на 10% или, по меньшей мере, на 20% меньше, чем представленное эталонное значение. Например, концентрация по существу меньше чем 1% масс., если значение концентрации, по меньшей мере, на 20% меньше, чем, по меньшей мере, на 10% меньше, чем, по меньшей мере, на 5% меньше, чем или, по меньшей мере, на 1% меньше чем 1% масс.The term "substantially" refers to a property or condition that is 20%, 10%, 5%, 1%, or equivalent to a reference property or condition. The term "substantially equal", "substantially equivalent", or "substantially unchanged", when used in conjunction with a reference value describing a property or condition, refers to a property or condition that is 20%, 10%, 5%, 1%, 0.1%, or optionally equivalent to the reference value or condition provided. For example, the concentration is essentially equal to 1 wt. -%, if the concentration value is 20%, 10%, 5%, 1% or equal to 1% wt. For example, substantially all of a material or liquid is in a particular region if at least 80% (e.g., by volume, moles, or mass), at least 90%, at least 95%, at least 95 % or 100% of the material or liquid is in a particular area. The term "substantially greater" when used in conjunction with a reference value or condition describing a property or condition, refers to a value that is at least 2%, at least 5%, at least 10%, or , at least 20% greater than the presented reference value or condition. The term "substantially less" when used in conjunction with a reference value or condition describing a property or condition refers to a value or condition that is at least 2%, at least 5%, at least 10 % or at least 20% less than the reported reference value. For example, the concentration is substantially less than 1 wt % if the concentration value is at least 20% less than, at least 10% less than, at least 5% less than, or, at least 1% less than 1% of the mass.

Термин «графеноподобный материал» относится к материалу на основе твердого углерода, полученному способом по изобретению, который может быть обработан так, чтобы быть физически сродни чистому графену. Чистый графен включает меньше 1% кислорода и имеет немного слоев (например, 1-2 слоя). Размер пластинок чистого графена, как правило, варьируется от 1 до 5 микронов. Полученный in situ углеродный материал, как описано в настоящем документе, и полученный в углеводородном растворителе при гидродинамических условиях, состоит из многослойных пластинок (больше чем 2 слоя, например, 5-15 слоев, 6-13 слоев, 7-12 слоев, 8-11 слоев) с размерами пластинки, варьирующихся от примерно 1 до 50 микронов (например, 2-25 мкм, 3-15 мкм или 5-10 мкм). При получении с безводным углеводородным растворителем (например, толуолом), полученный графеноподобный материал будет иметь меньше чем 1% кислорода. Кроме того, графеноподобный материал, полученный способом по изобретению, легко расслаивается в жидкости на несколько слоев графена. Он более легко расслаивается в жидкости, чем графит, потому что, не будучи привязанным ни к какой теории, считается, что, так как объемный графеноподобный материал образуется in situ, объемные графеновые листы могут быть скреплены более слабым ван-дер-ваальсовых связыванием, чем было бы найдено в графите. The term "graphene-like material" refers to a solid carbon-based material obtained by the method of the invention, which can be processed to be physically akin to pure graphene. Pure graphene contains less than 1% oxygen and has few layers (eg 1-2 layers). The size of pure graphene plates, as a rule, varies from 1 to 5 microns. The in situ produced carbon material as described herein, and produced in a hydrocarbon solvent under hydrodynamic conditions, consists of multilayer lamellae (more than 2 layers, e.g. 5-15 layers, 6-13 layers, 7-12 layers, 8- 11 layers) with platelet sizes ranging from about 1 to 50 microns (eg, 2-25 microns, 3-15 microns, or 5-10 microns). When prepared with an anhydrous hydrocarbon solvent (eg, toluene), the resulting graphene-like material will have less than 1% oxygen. In addition, the graphene-like material obtained by the method of the invention is easily stratified in a liquid into several layers of graphene. It exfoliates more readily in a liquid than graphite because, without being bound by any theory, it is believed that since bulk graphene-like material is formed in situ, bulk graphene sheets can be held together by weaker van der Waals bonding than would be found in graphite.

Термины «реактор с механическим перемешиванием» и «реактор со смесителем» являются взаимозаменяемыми и имеют эквивалентное значение.The terms "stirred reactor" and "stirred reactor" are used interchangeably and have an equivalent meaning.

Как используется в настоящем документе, термин «уменьшение трения in situ» относится к процессу, в котором смазочные свойства жидкости изменены или улучшены. В процессе уменьшения трения in situ жидкость может использоваться в качестве смазки и улучшать свои смазывающие свойства одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). As used herein, the term "in situ friction reduction" refers to a process in which the lubricating properties of a fluid are altered or improved. In the process of reducing friction in situ, the fluid can be used as a lubricant and improve its lubricity at the same time or almost at the same time (for example, within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within within 15 seconds, within 10 seconds, within 5 seconds, or within 1 second).

В варианте осуществления, композиция или соединение по изобретению, такое как жидкое органическое соединение или газообразное органическое соединение, изолировано или по существу очищено. В варианте осуществления, изолированное или очищенное соединение по меньшей мере частично изолировано или по существу очищено, в том смысле, который понимается в данной области техники. В варианте осуществления, по существу очищенная композиция, соединение или состав по изобретению имеет химическую чистоту, по меньшей мере 95%, необязательно, для некоторых областей, по меньшей мере, 97%, необязательно, для некоторых областей, по меньшей мере, 98%, необязательно, для некоторых областей, по меньшей мере, 99%, необязательно для некоторых областей, по меньшей мере, 99,9%, необязательно, для некоторых областей, 99,99%, и необязательно, для некоторых областей, 99,999%.In an embodiment, a composition or compound of the invention, such as a liquid organic compound or a gaseous organic compound, is isolated or substantially purified. In an embodiment, the isolated or purified compound is at least partially isolated or substantially purified, as understood in the art. In an embodiment, a substantially purified composition, compound or formulation of the invention is chemically pure at least 95%, optionally at least 97% for some areas, optionally at least 98% for some areas, optionally, for some areas, at least 99%, optionally, for some areas, at least 99.9%, optionally, for some areas, 99.99%, and optionally, for some areas, 99.999%.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

В следующем описании сформулированы многочисленные специфические детали устройств, компонентов устройства и способов настоящего изобретения, для того, чтобы дать полное объяснение точного характера изобретения. Специалистам в данной области техники, однако, будет очевидно, что изобретение может быть осуществлено без этих специфических деталей. In the following description, numerous specific details of the apparatuses, apparatus components, and methods of the present invention are set forth in order to provide a thorough explanation of the precise nature of the invention. Those skilled in the art, however, will appreciate that the invention may be practiced without these specific details.

В настоящем документе описан способ получения твердого углеродного материала, включающий: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, в зону реакции реактора; и индуцирование химической реакции, по меньшей мере, между одним жидким органическим соединением и, по меньшей мере, одним газообразным органическим соединением, где: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; твердый углеродный материал получен реакцией; твердый углеродный материал получен во время реакции в форме дисперсии, включающей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; и химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора. Предпочтительно, химическая реакция включает газожидкостный массообмен. Предпочтительно, но не обязательно, состав газа отличается от состава жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, состав, по меньшей мере, одного газообразного соединения отличается от состава, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения. Например, наличие газа (или, по меньшей мере, одного газообразного органического соединения) и жидкости (или, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения) с другим химическим составом (например, пропан и этанол) может предоставить большую степень гибкости в типе, составе и свойствах полученного твердого углеродного материала(ов), по сравнению с эквивалентным процессом, где газ и жидкость имеют эквивалентный химический состав. Необязательно, химическая реакция не происходит на или при катализаторе. Предпочтительно, но не обязательно, способ не включает гетерогенную нуклеацию твердого углеродного материала на твердой подложке. Необязательно, стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции, и стадия доставки газа выполняется через второй входной поток в зону реакции; где пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными. Необязательно, стадия доставки жидкости и стадии осуществления доставки газа выполняется одновременно. Необязательно, стадия доставки газа выполняется после того, как жидкость доставляется в зону реакции (например, но не обязательно, периодическим процессом, где жидкость сначала доставляется в реактор периодического действия, и затем газ доставляют в период, когда желательно прохождение реакции). Предпочтительно, твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время присутствия в зоне реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, твердый углеродный материал сформирован только в зоне реакции реактора. Необязательно, твердый углеродный материал не получают, если способ выполняют без стадии доставки газа при в другом эквивалентных стадиях и условиях. Предпочтительно, но не обязательно, доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию. Необязательно, газ захватывается в жидкость под давлением, газ впрыскивается в жидкость, или газ барботируется в жидкость или их комбинация. Предпочтительно, газ доставляют непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа. Давление в зоне реакции является любым подходящим давлением, позволяющим газожидкостный массообмен (например, 10-5000 ф./кв.д., 50-3000 ф./кв.д., и т.д.). Предпочтительно, но не обязательно, стадии доставки газа и индуцирования химической реакции выполняют одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). Предпочтительно, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение и, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды) находятся в зоне реакции. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости и рост углеродного материала в жидкости. Необязательно, твердый углеродный материал является множеством углеродных материалов. Необязательно, реактор является кавитационным реактором, реактором со сдвигом, реактором с механическим перемешиванием или многофункциональным реактором. В некоторых вариантах осуществления, реактор является кавитационным реактором; реакционная зона является кавитационной зоной кавитационного реактора; и способ включает формирующиеся кавитационные пузыри в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора. The present document describes a method for producing a solid carbon material, including: delivering a liquid containing at least one liquid organic compound to a reaction zone of a reactor; delivering a gas containing at least one gaseous organic compound to the reaction zone of the reactor; and inducing a chemical reaction between at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound, where: the chemical reaction occurs in the reaction zone of the reactor; solid carbon material obtained by the reaction; the solid carbon material is obtained during the reaction in the form of a dispersion comprising the solid carbon material dispersed in a liquid; and the chemical reaction is a homogeneous reaction involving homogeneous nucleation of solid carbon material in the reaction zone of the reactor. Preferably, the chemical reaction involves gas-liquid mass transfer. Preferably, but not necessarily, the composition of the gas is different from that of the liquid. Preferably, but not necessarily, the composition of the at least one gaseous compound is different from the composition of the at least one liquid organic compound. For example, the presence of a gas (or at least one gaseous organic compound) and a liquid (or at least one liquid organic compound) with a different chemical composition (for example, propane and ethanol) can provide a greater degree of flexibility in the type, composition and properties of the resulting solid carbon material(s), compared to an equivalent process where the gas and liquid have an equivalent chemical composition. Optionally, the chemical reaction does not occur on or with the catalyst. Preferably, but not necessarily, the method does not include heterogeneous nucleation of a solid carbon material on a solid support. Optionally, a liquid delivery step is performed via the first inlet stream to the reaction zone, and a gas delivery step is performed via the second inlet stream to the reaction zone; where the paths of the first stream and the second input stream are different and are physically separate. Optionally, the liquid delivery step and the gas delivery implementation step are performed simultaneously. Optionally, the gas delivery step is performed after the liquid is delivered to the reaction zone (for example, but not necessarily, by a batch process where the liquid is first delivered to the batch reactor and then the gas is delivered at a time when the reaction is desired). Preferably, the solid carbon material remains dispersed in the liquid while present in the reaction zone. Preferably, but not necessarily, the liquid is substantially free of solid carbon material during the liquid delivery stage and prior to the gas delivery and chemical reaction induction stages. Preferably, but not necessarily, the liquid is substantially free of solids and is substantially free of colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and up to the gas delivery and chemical reaction induction steps. Preferably, but not necessarily, the solid carbon material is formed only in the reaction zone of the reactor. Optionally, no solid carbon material is produced if the process is performed without a gas delivery step under otherwise equivalent steps and conditions. Preferably, but not necessarily, gas delivery includes gas capture, gas injection, or a combination thereof. Optionally, the gas is entrapped into the liquid under pressure, the gas is injected into the liquid, or the gas is bubbled into the liquid, or a combination thereof. Preferably, the gas is delivered directly to the reaction zone during the gas delivery step. The pressure in the reaction zone is any suitable pressure allowing gas-liquid mass transfer (eg, 10-5000 psi, 50-3000 psi, etc.). Preferably, but not necessarily, the gas delivery and chemical reaction induction steps are performed simultaneously or nearly simultaneously (e.g., within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within 15 seconds , for 10 seconds, for 5 seconds, or for 1 second). Preferably, at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound at the same time (for example, within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within within 15 seconds, within 10 seconds, within 5 seconds, or within 1 second) are in the reaction zone. Preferably, the preparation of the carbonaceous material comprises nucleating the carbonaceous material in a liquid. Preferably, the production of the carbon material includes nucleation of the carbon material in the liquid and growth of the carbon material in the liquid. Optionally, the solid carbon material is a plurality of carbon materials. Optionally, the reactor is a cavitation reactor, a shift reactor, a mechanically stirred reactor, or a multifunctional reactor. In some embodiments, the reactor is a cavitation reactor; the reaction zone is the cavitation zone of the cavitation reactor; and the method includes forming cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor.

По сравнению с обычными процессами способы по изобретению, раскрытые в настоящем документе, могут занимать минуты или даже секунды, а не часы, являются низкозатратными, минимально используют нежелательные химикаты, используют меньше энергии и/или являются высоко масштабируемыми. Неожиданно было обнаружено, что согласно способам по изобретению, твердый углеродный материал, такой как графен или графеноподобный материал, может быть получен непосредственно (т.е. за одну стадию) в жидкости в форме дисперсии, включая стабильную дисперсию. Диспергированный твердый углеродный материал (например, графен или графеноподобный материал) имеет одно или несколько преимуществ по сравнению с твердым порошком. Эти преимущества включают то, что жидкости могут быть намного легче разведены, чем порошок, жидкости легче обрабатывать с точки зрения обращения с материалом, и/или получение твердого углеродного материала непосредственно, за одну стадию, в жидкости является менее затратным, чем получение порошка и последующее диспергирование порошка.Compared to conventional processes, the methods of the invention disclosed herein can take minutes or even seconds rather than hours, are low cost, minimally use unwanted chemicals, use less energy, and/or are highly scalable. Surprisingly, it has been found that according to the methods of the invention, a solid carbon material such as graphene or a graphene-like material can be obtained directly (ie, in one step) in a liquid in the form of a dispersion, including a stable dispersion. A dispersed solid carbon material (eg, graphene or a graphene-like material) has one or more advantages over a solid powder. These advantages include that liquids can be diluted much more easily than powder, liquids are easier to handle in terms of material handling, and/or producing solid carbon material directly, in one step, in a liquid is less expensive than making a powder and then powder dispersion.

В способе по изобретению реактором является любой подходящий реактор, облегчающий газожидкостный массообмен для формирования твердого углеродного материала, по меньшей мере, из одного газообразного органического соединения и, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения. В общем, реактором будет такой, который может обеспечить кавитацию, сдвиг, высокое давление, высокие температуры и/или смешивание или любую комбинацию этих условий. В вариантах осуществления, реактор выбран из группы, состоящей из кавитационного реактора, реактор со сдвигом, реактора с механическим перемешиванием или их комбинации. Типовые примеры подходящего реактора, который может обеспечить кавитацию, сдвиг, высокое давление, высокие температуры и/или смешивание, включают реактор с механическим перемешиванием, турбинный реактор, монолитный реактор, пенный реактор, реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700), гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, трубчатый вращающийся реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся реактор типа гармошки, реактор с псевдоожиженным слоем, реактор Тейлора-Куетта, двухтрубный реактор, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, микроволновый реактор, реактор с ударной волной (например, SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA), реактор с непрерывным потоком (например, RAPTOR™ реактор; La Mesta Chimie Fine, Gilette, France), реактор с мешалкой, обеспечивающий сдвиг и любую их комбинацию. Например, гидродинамический кавитационный реактор может быть объединен с реактором с механическим перемешиванием, или реактор с механическим перемешиванием может быть объединен с реактором со сдвигом. Должно быть понятно, что реактор может быть классифицирован по одной или нескольким категориям для индуцирования газожидкостного массообмена (например, кавитации, сдвига, высокого давления и/или высоких температур). In the method of the invention, the reactor is any suitable reactor that facilitates gas-liquid mass transfer to form a solid carbon material from at least one gaseous organic compound and at least one liquid organic compound. In general, the reactor will be one that can provide cavitation, shear, high pressure, high temperatures and/or mixing, or any combination of these conditions. In embodiments, the reactor is selected from the group consisting of a cavitation reactor, a shear reactor, a mechanically stirred reactor, or a combination thereof. Typical examples of a suitable reactor that can provide cavitation, shear, high pressure, high temperatures and/or mixing include mechanically stirred reactor, turbine reactor, monolithic reactor, foam reactor, rotor-stator reactor, shear stack reactor, high speed reactor shear (e.g. Charles Ross HSM-700), Hydrodynamic Cavitation Reactor, Sieve Reactor, Tubular Rotary Reactor, Packed Bed Rotary Reactor, Accordion Type Rotary Reactor, Fluidized Bed Reactor, Taylor-Couette Reactor, Double Tube Reactor, Rotary Disk Reactor , colliding jet reactor, ultrasonic gas-solid reactor, ultrasonic reactor, ultrasonic probe reactor, microwave reactor, shock wave reactor (e.g. SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA) , continuous flow reactor (e.g. RAPTOR™ reactor; La Mesta Chimie Fine, Gilette, France ), a shear stirred reactor, and any combination thereof. For example, a hydrodynamic cavitation reactor may be combined with a mechanically stirred reactor, or a mechanically stirred reactor may be combined with a shear reactor. It should be understood that the reactor can be classified into one or more categories for inducing gas-liquid mass transfer (eg, cavitation, shear, high pressure and/or high temperatures).

Необязательно, стадия индуцирования химической реакции включает индуцирование силы сдвига в жидкости. Необязательно, реактор является реактором с механическим перемешиванием, содержащим мешалку; и где мешалка индуцирует силу сдвига в жидкости. Необязательно, мешалка выбрана из группы, состоящей из газ-индуцирующей мешалки, мешалки Rushton/турбины, монолитной мешалки, спиральной мешалки, мешалки с пластинчатыми или радиальными плоскими лопастями, аксионного пропеллера, угловых лопастей, турбинной вихревой мешалки, нескольких мешалок на одном стержне и любой их комбинации. Необязательно, мешалкой является газ-индуцирующая мешалка. Необязательно, мешалка характеризуется скоростью вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин (например, 250-12000 об/мин, 500-10000 об/мин, 1000-5000 об/мин, 1000-3000 об/мин, 1000-1200 об/мин). Сдвиг, созданный мешалкой в реакторе с механическим перемешиванием, в основном определяется отношением диаметра крыльчатки (D) к диаметру бака (T). Отношение D/T, как правило, находится в диапазоне 0,1-0,6, предпочтительно 0,2-0,5. Низкие отношения D/T дают высокий сдвиг и как правило вращаются при более высоких об./мин, в то время как высокие отношения D/T дают низкий сдвиг и вращаются при более низких об./мин. Необязательно, стадия индуцирования химической реакции включает перемешивание или смешивание жидкости и газа в зоне реакции, которое может включать снижение среднего размера пузырей газа в жидкости в зоне реакции. Необязательно, давление в зоне реактора выбрано из диапазона от 6 бар (примерно 87 ф./кв.д.) до 150 бар (примерно 2175 ф./кв.д.). Необязательно, температура в зоне реакции выбрана из диапазона от 20°C до 250°C (например, от 20°C до 200°C, от 20°C до 150°C, от 20°C до 100°C, от 30°C до 250°C, от 30°C до 200°C, от 30°C до 150°C, от 30°C до 100°C, от 40°C до 250°C, от 40°C до 200°C, от 40°C до 150°C, от 40°C до 100°C, от 50°C до 250°C, от 50°C до 200°C, от 50°C до 150°C, от 50°C до 100°C, от 50°C до 90°C или от 60°C до 100°C).Optionally, the step of inducing a chemical reaction includes inducing a shear force in the fluid. Optionally, the reactor is a mechanically stirred reactor containing a stirrer; and where the agitator induces a shear force in the liquid. Optionally, the agitator is selected from the group consisting of a gas-inducing agitator, a Rushton/turbine agitator, a monolithic agitator, a helical agitator, a plate or radial flat agitator, axion propeller, angled blades, a turbine vortex agitator, multiple agitators on a single shaft, and any their combinations. Optionally, the stirrer is a gas-inducing stirrer. Optionally, the stirrer is characterized by a rotation speed selected from the range of 200 rpm to 14000 rpm (for example, 250-12000 rpm, 500-10000 rpm, 1000-5000 rpm, 1000-3000 rpm , 1000-1200 rpm). The shear created by the stirrer in a mechanically stirred reactor is mainly determined by the ratio of the impeller diameter (D) to the tank diameter (T). The D/T ratio is generally in the range 0.1-0.6, preferably 0.2-0.5. Low D/T ratios give high shear and typically spin at higher rpm, while high D/T ratios give low shear and spin at lower rpm. Optionally, the step of inducing a chemical reaction includes stirring or mixing the liquid and gas in the reaction zone, which may include reducing the average size of gas bubbles in the liquid in the reaction zone. Optionally, the pressure in the reactor zone is selected from the range of 6 bar (about 87 psi) to 150 bar (about 2175 psi). Optionally, the reaction zone temperature is selected from the range of 20°C to 250°C (e.g., 20°C to 200°C, 20°C to 150°C, 20°C to 100°C, 30° C to 250°C, 30°C to 200°C, 30°C to 150°C, 30°C to 100°C, 40°C to 250°C, 40°C to 200°C , 40°C to 150°C, 40°C to 100°C, 50°C to 250°C, 50°C to 200°C, 50°C to 150°C, 50°C up to 100°C, 50°C to 90°C or 60°C to 100°C).

В одном аспекте, в настоящем документе представлен способ получения твердого углеродного материала, где способ включает: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение в кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, получая углеродный материал в форме дисперсии, включающей углеродный материал диспергированный в жидкости. В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, реактором со сдвигом, ультразвуковым кавитационным реактором или многофункциональным реактором. В некоторых вариантах осуществления, кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию; или кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию. В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и реактор типа ротор-статор; или кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и реактор типа ротор-статор. В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом, гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, реактор с мешалкой, обеспечивающий сдвиг или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ захватывается в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, газ впрыскивается в жидкость. В некоторых вариантах осуществления, газ барботируется в жидкость. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа. В некоторых вариантах осуществления, стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования кавитационных пузырей включает нуклеирующие кавитационные пузыри. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от зоны нуклеации кавитационных пузырей, где зона нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырях в кавитационной реакции во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутрь или в 1 мм от кавитационного облака. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия сформирована в зоне кавитации реактора. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости и рост углеродного материала в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал является множеством углеродных материалов.In one aspect, provided herein is a method for producing a solid carbon material, wherein the method includes: delivering a liquid containing at least one liquid organic compound to a cavitation reactor; formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor; and delivering a gas containing at least one gaseous organic compound to the cavitation zone of the cavitation reactor; thus, obtaining a carbon material in the form of a dispersion, including a carbon material dispersed in a liquid. In some embodiments, the cavitation reactor is a hydrodynamic cavitation reactor, a shear reactor, an ultrasonic cavitation reactor, or a multifunctional reactor. In some embodiments, the cavitation reactor includes hydrodynamic cavitation; or the cavitation reactor includes ultrasonic cavitation. In some embodiments, the cavitation reactor includes hydrodynamic cavitation and a rotor-stator reactor; or the cavitation reactor includes ultrasonic cavitation and a rotor-stator type reactor. In some embodiments, the cavitation reactor includes a rotor-stator reactor, a battery shear reactor, a high speed shear reactor, a hydrodynamic cavitation reactor, a sieve reactor, a rotary packed bed reactor, a rotary disk reactor, a colliding jet reactor, an ultrasonic gas- a solid body, an ultrasonic reactor, an ultrasonic probe reactor, a shear stirred reactor, or a combination thereof. In some embodiments, gas delivery includes gas capture, gas injection, or a combination thereof. In some embodiments, the gas is entrapped in the liquid. In some embodiments, the gas is injected into the liquid. In some embodiments, the gas is bubbled into the liquid. In some embodiments, the gas is delivered directly to the cavitation zone during the gas delivery step. In some embodiments, the cavitation bubble formation and gas delivery steps are performed simultaneously or nearly simultaneously (e.g., within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds, within 15 seconds, within 10 seconds, within 5 seconds, or within 1 second). In some embodiments, the step of forming cavitation bubbles includes nucleating cavitation bubbles. In some embodiments, during the gas delivery step, the gas is delivered directly to or within 1 mm of the cavitation bubble nucleation zone, where the cavitation bubble nucleation zone corresponds to the cavitation bubble nucleation in the cavitation reaction during the formation step. In some embodiments, the formation step includes forming a cavitation cloud including cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor, where the gas is delivered directly into or 1 mm from the cavitation cloud. In some embodiments, the dispersion is formed in the cavitation zone of the reactor. In some embodiments, the step of forming includes forming a cavitation cloud including cavitation bubbles; where the carbon material is formed in the cavitation cloud. In some embodiments, the liquid is substantially free of carbon material during the liquid delivery stage and prior to the formation of cavitation bubbles. In some embodiments, the liquid is substantially free of solids and is substantially free of colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles. In some embodiments, obtaining the carbon material includes nucleating the carbon material in a liquid. In some embodiments, the production of carbon material includes the nucleation of the carbon material in the liquid and the growth of the carbon material in the liquid. In some embodiments, the carbon material is a plurality of carbon materials.

В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор является или включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий предкавитационную зону и зону отверстия, где зона отверстия между предкавитационной зоной и зоной кавитации. Зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое что жидкость течет из зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие. Другими словами, во время стадии доставки жидкости, жидкость может быть доставлена в предкавитационную зону таким образом, что жидкость затем вытекает из зоны предкавитации, по меньшей мере, через одно отверстие, в зону кавитации. Каждое из, по меньшей мере, одного отверстия характеризуется внутренним диаметром, который меньше, чем внутренний диаметр зоны предкавитации. В некоторых вариантах осуществления, внутренний диаметр зоны кавитации непосредственно вне, по меньшей мере, одного отверстия, больше, чем внутренний диаметр отверстия. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно к кавитационному концу, по меньшей мере, одного отверстия или в пределах 1 мм от конца, по меньшей мере, одного отверстия; где кавитационный конец, по меньшей мере, одного отверстия, является концом, по меньшей мере, одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют в 1 мм (например, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм) или непосредственно на выход, по меньшей мере, одного отверстия (например, конец одной или нескольких труб доставки газа и осуществляют туда доставку газа).In some embodiments, the cavitation reactor is or includes a hydrodynamic cavitation reactor having a pre-cavitation zone and an orifice zone, where the orifice zone is between the pre-cavitational zone and the cavitation zone. The orifice zone includes at least one orifice such that liquid flows from the pre-cavitation zone to the cavitation zone through at least one orifice. In other words, during the liquid delivery step, liquid can be delivered to the pre-cavitation zone such that the liquid then flows out of the pre-cavitation zone, through at least one opening, into the cavitation zone. Each of at least one orifice has an internal diameter that is smaller than the internal diameter of the pre-cavitation zone. In some embodiments, the inner diameter of the cavitation zone immediately outside the at least one orifice is larger than the inner diameter of the orifice. In some embodiments, the gas is delivered directly to the cavitation end of at least one orifice or within 1 mm of the end of at least one orifice; where the cavitation end of at least one hole is the end of at least one hole closest to the cavitation zone of the cavitation reactor. In some embodiments, the gas is delivered at 1 mm (e.g., 0.8 mm, 0.6 mm, 0.5 mm, 0.3 mm, 0.2 mm) or directly to the outlet, at least at least one hole (for example, the end of one or more gas delivery pipes and gas is delivered there).

В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в 1 мм, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм, или в 0,1 мм, или, предпочтительно для некоторых применений, непосредственно в зону нуклеации кавитационного пузыря. Зона нуклеации кавитационного пузыря соответствует месту нуклеации кавитационных пузырей в реакции кавитации во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в 1 мм, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм, или в 0,1 мм, или, предпочтительно для некоторых применений, непосредственно в зону реакции (например, зону кавитации) реактора. In some embodiments, during the gas delivery step, the gas is delivered directly to 1 mm, 0.8 mm, 0.6 mm, 0.5 mm, 0.3 mm, 0.2 mm, or 0.1 mm, or, preferably for some applications, directly into the nucleation zone of the cavitation bubble. The nucleation zone of the cavitation bubble corresponds to the nucleation site of the cavitation bubbles in the cavitation reaction during the formation stage. In some embodiments, during the gas delivery step, the gas is delivered directly to 1 mm, 0.8 mm, 0.6 mm, 0.5 mm, 0.3 mm, 0.2 mm, or 0.1 mm, or, preferably for some applications, directly into the reaction zone (eg, cavitation zone) of the reactor.

В некоторых вариантах осуществления стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно в 1 мм, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм или 0,2 мм, или, предпочтительно для некоторых областей, непосредственно в кавитационное облако. In some embodiments, the formation step includes the formation of a cavitation cloud including cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor, where the gas is delivered directly to 1 mm, 0.8 mm, 0.6 mm, 0.5 mm, 0.3 mm or 0.2 mm, or, preferably for some areas, directly into the cavitation cloud.

В некоторых вариантах осуществления, дисперсия, по меньшей мере, частично сформирована в зоне реакции (например, зоне кавитации) реактора. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия по существу сформирована в зоне реакции (например, зоне кавитации) реактора. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия, по меньшей мере, частично сформирована в кавитационном облаке реактора (если реактор является кавитационным реактором). В некоторых вариантах осуществления, дисперсия по существу сформирована в кавитационном облаке реактора (если реактор является кавитационным реактором). В некоторых вариантах осуществления, дисперсия, по меньшей мере, частично сформирована в зоне нуклеации кавитационного пузыря реактора (если реактор является кавитационным реактором). In some embodiments, the dispersion is at least partially formed in the reaction zone (eg, cavitation zone) of the reactor. In some embodiments, the dispersion is substantially formed in the reaction zone (eg, cavitation zone) of the reactor. In some embodiments, the dispersion is at least partially formed in the cavitation cloud of the reactor (if the reactor is a cavitation reactor). In some embodiments, the dispersion is substantially formed in the cavitation cloud of the reactor (if the reactor is a cavitation reactor). In some embodiments, the dispersion is at least partially formed in the nucleation zone of the cavitation bubble of the reactor (if the reactor is a cavitation reactor).

В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до доставки жидкости. В некоторых вариантах осуществления жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до поступления жидкости в зону кавитации кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до поступления жидкости в зоне отверстия гидродинамического кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до выхода жидкости из отверстия зоны отверстия гидродинамического кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до поступления жидкости вовнутрь, в 1 мм, или в 1 см от области нуклеации кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Например, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем до поступления жидкости в отверстие зоны отверстия гидродинамического кавитационного реактора. В некоторых аспектах жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем до выхода жидкости из отверстия зоны отверстия гидродинамического кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем до поступления жидкости вовнутрь, в 1 мм, или в 1 см от области нуклеации кавитационных пузырей.In some embodiments, the step of forming includes forming a cavitation cloud including cavitation bubbles; where the carbon material is formed in the cavitation cloud. In some embodiments, the liquid is substantially free of carbon material or crystals thereof during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles. For example, the liquid is substantially free of carbon material or crystals thereof prior to delivery of the liquid. In some embodiments, the liquid is substantially free of carbon material or crystals thereof prior to the liquid entering the cavitation zone of the cavitation reactor. For example, the liquid is substantially free of carbon material or crystals thereof until the liquid enters the orifice area of the hydrodynamic cavitation reactor. For example, the liquid is substantially free of carbon material or crystals thereof until the liquid exits the orifice of the orifice zone of the hydrodynamic cavitation reactor. For example, the liquid is essentially free of carbon material or its crystals until the liquid enters the interior, 1 mm, or 1 cm from the area of nucleation of cavitation bubbles. In some embodiments, the liquid is substantially free of solids and is essentially not a colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles. For example, the liquid is substantially free of solid particles and is essentially not a colloid, slurry, or sol until the liquid enters the orifice of the orifice zone of the hydrodynamic cavitation reactor. In some aspects, the liquid is substantially free of solid particles and is essentially not a colloid, slurry, or sol prior to exiting the liquid from the orifice of the orifice zone of the hydrodynamic cavitation reactor. For example, the liquid is substantially free of solid particles and is essentially not a colloid, suspension, or sol until the liquid enters within 1 mm, or 1 cm, of the cavitation bubble nucleation region.

В некоторых вариантах осуществления, формирование или нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты (например, в течение 30 секунд, 20 секунд, 5 секунд или 1 секунды) после формирования кавитационных пузырей в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты (например, в течение 30 секунд, 20 секунд, 5 секунд или 1 секунды) после нуклеации кавитационных пузырей в 1 мм (например, в 0,8 мм, 0,6 мм, 0,5 мм, 0,3 мм или 0,2 мм) зоны нуклеации кавитационных пузырей, в то время как газ доставляют в зону кавитации.In some embodiments, the formation or nucleation of the carbon material occurs within 1 minute (eg, within 30 seconds, 20 seconds, 5 seconds, or 1 second) after the formation of cavitation bubbles in the liquid. In some embodiments, nucleation of the carbon material occurs within 1 minute (e.g., 30 seconds, 20 seconds, 5 seconds, or 1 second) after nucleation of 1 mm cavitation bubbles (e.g., 0.8 mm, 0.6 mm , 0.5 mm, 0.3 mm or 0.2 mm) of the nucleation zone of cavitation bubbles, while the gas is delivered to the cavitation zone.

В некоторых вариантах осуществления, способ получения твердого углеродного материала включает стадию завершения доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации). Размерные характеристики углеродного материала могут изменяться, уменьшаться, или, предпочтительно для некоторых областей, увеличиваться после стадии завершения. Например, частицы углеродного материала, такие как графеновые частицы или их кристаллы могут увеличиться по: количеству слоев графена, длине частицы или слоя, ширине частицы или слоя, диаметру частицы или слоя, толщине частицы или слоя или любой их комбинации. Например, частицы углеродного материала, такие как частицы графена или их кристаллы могут уменьшиться по: количеству слоев графена, длине частицы или слоя, ширине частицы или слоя, диаметру частицы или слоя, толщине частицы или слоя или любой их комбинации. Например, противодавление (например, через закрытие клапана ниже зоны кавитации и остающейся там жидкости при продолжении доставки жидкости) и/или сдвиг по краю (например, для жидкости, текущей через отверстие) может привести к снижению размерных характеристик углеродного материала, например, снижению размера графеновых пластинок или количества слоев в графеновых пластинках. В некоторых вариантах осуществления, способ получения твердого углеродного материала включает удерживание дисперсии в зоне реакции (например, зоне кавитации) в течение времени, которое меньше чем или равно 60 минутам (например, меньше чем или равно 30 минутам, меньше чем или равно 20 минутам, меньше чем или равно 10 минутам, меньше чем или равно 5 минутам, меньше чем или равно 1 минуте) или выбрано из диапазона 1-60 минут, 2-60 минут, 1-30 минут, 1-20 минут, 1-10 минут, или, предпочтительно для некоторых областей, 1-5 минут после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации). Например, дисперсия (или, жидкость, содержащая диспергированный углеродный материал) может циркулировать или иначе оставаться, по меньшей мере, частично или по существу в зоне реакции (например, зоне кавитации) после того, как доставка газа будет завершена или иначе отключена. Например, клапан может быть, по меньшей мере, частично закрыт ниже зоны реакции (например, зоны кавитации) во время стадии сохранения для, по меньшей мере, частичного сохранения дисперсии в зоне реакции (например, зоне кавитации). Например, во время сохранения дисперсии в зоне кавитации, дисперсия, по меньшей мере, частично или по существу находится в кавитационном облаке в течение, по меньшей мере, 1%, по меньшей мере, 10%, по меньшей мере, 20%, по меньшей мере, 50% или по меньшей мере, 75% продолжительности стадии сохранения. Например, во время сохранения дисперсии в зоне кавитации, дисперсия может находиться, по меньшей мере, частично или по существу в зоне нуклеации кавитационного пузыря в течение, по меньшей мере, 1%, по меньшей мере, 10%, по меньшей мере, 20%, по меньшей мере, 50% или, по меньшей мере, 75% продолжительности стадии сохранения. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения, размерная характеристика углеродного материала может измениться, уменьшиться, или, предпочтительно для некоторых областей, увеличиться. В некоторых вариантах осуществления, концентрация углеродного материала в дисперсии остается по существу постоянной во время стадии сохранения после того, как доставка газа закончена и при отсутствии доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации). В некоторых вариантах осуществления, концентрация углеродного материала в дисперсии уменьшается во время стадии сохранения после того, как закончена доставка газа. Например, углеродный материал может нуклеировать в жидкости во время стадии доставки газа, но углеродный материал может по существу прекратить нуклеировать после того, как доставка газа закончена, хотя одна или несколько размерных характеристик углеродного материала могут продолжить изменяться. Например, из-за прекращения нуклеации углеродного материала, концентрация углеродного материала может быть постоянной или может уменьшиться, если, например, частицы углеродного материала слипаются (например, агрегируются и/или агломерируются) и/или объем жидкости, соответствующей дисперсии, увеличивается. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения дисперсии в зоне реакции (например, зоне кавитации) и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации), способ создания твердого углеродного материала далее, включает стадию дегазации жидкости или дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в нее. In some embodiments, the method for producing a solid carbon material includes the step of completing the delivery of gas to a reaction zone (eg, a cavitation zone). The dimensional characteristics of the carbon material may change, decrease, or, preferably in some areas, increase after the completion stage. For example, particles of carbon material such as graphene particles or crystals thereof can increase in: the number of graphene layers, the length of the particle or layer, the width of the particle or layer, the diameter of the particle or layer, the thickness of the particle or layer, or any combination thereof. For example, carbon material particles such as graphene particles or crystals thereof can shrink in: the number of graphene layers, particle or layer length, particle or layer width, particle or layer diameter, particle or layer thickness, or any combination thereof. For example, back pressure (for example, through closing a valve below the cavitation zone and the liquid remaining there while continuing to deliver liquid) and/or edge shear (for example, for liquid flowing through an orifice) can lead to a decrease in the dimensional characteristics of the carbon material, for example, a decrease in the size graphene plates or the number of layers in graphene plates. In some embodiments, the process for producing a solid carbon material includes holding the dispersion in a reaction zone (e.g., cavitation zone) for a time that is less than or equal to 60 minutes (e.g., less than or equal to 30 minutes, less than or equal to 20 minutes, less than or equal to 10 minutes, less than or equal to 5 minutes, less than or equal to 1 minute) or selected from the range of 1-60 minutes, 2-60 minutes, 1-30 minutes, 1-20 minutes, 1-10 minutes, or, preferably for some areas, 1-5 minutes after the completion stage and in the absence of gas delivery to the reaction zone (eg, cavitation zone). For example, the dispersion (or liquid containing dispersed carbonaceous material) may circulate or otherwise remain at least partially or substantially in the reaction zone (eg, cavitation zone) after gas delivery is completed or otherwise disabled. For example, the valve may be at least partially closed below the reaction zone (eg, cavitation zone) during the storage stage to at least partially retain the dispersion in the reaction zone (eg, cavitation zone). For example, while maintaining the dispersion in the cavitation zone, the dispersion is at least partially or essentially in the cavitation cloud for at least 1%, at least 10%, at least 20%, at least at least 50% or at least 75% of the duration of the storage stage. For example, while maintaining the dispersion in the cavitation zone, the dispersion may be at least partially or essentially in the nucleation zone of the cavitation bubble for at least 1%, at least 10%, at least 20% , at least 50% or at least 75% of the duration of the storage stage. In some embodiments, during the storage step, the dimensional property of the carbon material may change, decrease, or, preferably in some areas, increase. In some embodiments, the concentration of carbon material in the dispersion remains substantially constant during the storage step after gas delivery is completed and in the absence of gas delivery to the reaction zone (eg, cavitation zone). In some embodiments, the concentration of carbonaceous material in the dispersion decreases during the storage step after gas delivery is completed. For example, the carbon material may nucleate in liquid during the gas delivery step, but the carbon material may substantially cease nucleating after the gas delivery is completed, although one or more of the carbon material's dimensional characteristics may continue to change. For example, due to the cessation of the nucleation of the carbon material, the concentration of the carbon material may be constant or may decrease if, for example, the particles of the carbon material stick together (e.g., aggregate and/or agglomerate) and/or the volume of the liquid corresponding to the dispersion increases. In some embodiments, during the step of maintaining the dispersion in the reaction zone (e.g., cavitation zone) and after the completion step and in the absence of gas delivery to the reaction zone (e.g., cavitation zone), the method of creating a solid carbon material further comprises the step of degassing the liquid or dispersion to reduce the concentration of gas trapped in it.

В некоторых вариантах осуществления способ создания твердого углеродного материала включает восстановление углеродного материала из дисперсии, в твердой или порошковой форме. Стадия восстановления может включать, например, фильтрацию, вакуумную фильтрацию, испарение растворителя, центрифугирование или любую их комбинацию.In some embodiments, a method for creating a solid carbon material includes restoring the carbon material from a dispersion, in solid or powder form. The recovery step may include, for example, filtration, vacuum filtration, solvent evaporation, centrifugation, or any combination thereof.

В некоторых вариантах осуществления, концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости (например, воде) выбрана из диапазона от 1% масс. до 100% масс. В варианте осуществления, концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости выбрана из диапазона от 25% масс. к 100% масс.In some embodiments, the concentration of at least one liquid organic compound in the liquid (eg, water) is selected from the range of 1% wt. up to 100% wt. In an embodiment, the concentration of at least one liquid organic compound in the liquid is selected from a range of 25 wt. to 100% wt.

В некоторых вариантах осуществления концентрация полученного твердого углеродного материала в жидкости выбрана из диапазона о 0,0025% масс. до 7% масс. (например, от 0,0075% масс. до 7% масс., от 0,01% масс. до 5% масс., от 0,1% масс. до 5% масс., от 0,5% масс. до 4% масс., от 1% масс. до 3% масс., от 1% масс. до 2% масс.). Желаемая концентрация может зависеть от конечного применения дисперсии углеродного материала. Например, для смазывающей жидкости, желаемая концентрация может составлять по существу примерно 0,01% масс. углеродного материала. Например, для того, чтобы получить графеновый порошок, концентрация может составлять по существу примерно 5% масс. углеродного материала.In some embodiments, the concentration of the resulting solid carbon material in the liquid is selected from the range of about 0.0025 wt%. up to 7% wt. (for example, from 0.0075% wt. to 7% wt., from 0.01% wt. to 5% wt., from 0.1% wt. to 5% wt., from 0.5% wt. to 4% wt., 1% wt. to 3% wt., 1% wt. to 2% wt.). The desired concentration may depend on the end use of the carbon material dispersion. For example, for a lubricating fluid, the desired concentration may be essentially about 0.01% of the mass. carbon material. For example, in order to obtain graphene powder, the concentration may be essentially about 5% of the mass. carbon material.

В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение включает или выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение включает термопластичный полиуретан TPU и/или эпоксид. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение включает или выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, машинного масла MOBILE 1™, машинного масла Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок (например, высокоуглеродистого масла), керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации. In some embodiments, at least one liquid organic compound comprises or is selected from the group consisting of a monomer, an oligomer, a prepolymer, a polymer, an organic solvent, and any combination thereof. In some embodiments, the implementation of at least one liquid organic compound includes thermoplastic polyurethane TPU and/or epoxy. In some embodiments, at least one liquid organic compound comprises or is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, methylpyrrolidone, d-cyclopentadiene, hexane, benzene, toluene, heptane, xylene, dimethyl sulfoxide, mineral oil, machine oil oil, MOBILE 1™ machine oil, Syn 530 machine oil, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, base oil, hydrogenated castor oil, gear oil, gear oil, vegetable oil, hydrocarbon based drilling fluid, oils with additives, oils without additives (e.g. high carbon oil), kerosene, diesel fuel, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylamine, trimethylamine, pentane, cyclopentane, cyclohexane, 1,4-dioxane, chloroform, diethyl ether, dichloromethane, tetrahydrofuran, ethyl acetate, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, nitromethane, propylene carbonate, formic acid, butanol, propanol, vinegar acid, octadecene, oleic acid, oleylamine, octane, diethylene glycol ether, 1,2-dichlorobenzene, methyl acetate, tetrachlorethylene, diphenylthiourea, hexafluoro-2-propanol, cinnamic acid, trimethylamine, benzenethiol, ethanethiol, ethanedithiol, 4-aminobenzenethiol, acrylic acid , carbon disulfide, 1,2-dichlorobenzene, N-methyl-2-pyrrolidone, and any combination thereof.

В некоторых вариантах осуществления газообразное органическое соединение включает или выбрано из группы, состоящей из алкана, алкена, алкина, циклоалкана, гетероциклоалкана, арена, гетероарена и их комбинаций. Алканом могут быть, например, C1-20 алканы, C1-12 алканы, C1-8 алканы, C1-6 алканы, C1-4 алканы. Алкеном могут быть, например, C1-20 алкены, C1-12 алкены, C1-8 алкены, C1-6 алкены, C1-4 алкены. Алкином могут быть, например, C1-20 алкины, C1-12 алкины, C1-8 алкины, C1-6 алкины, C1-4 алкины. Циклоалканом может быть, например, C3-10 циклоалкан, C3-6 циклоалкан. Гетероциклоалканом может быть, например, стабильная, насыщенная или частично ненасыщенная моноциклическая, бициклическая и спиро кольцевая система, содержащая 3-7 кольцевых атомов углерода и других гетероатомов, выбранных из N, S, и/или O. Примеры таких гетероциклоалканов включают изоксазол, тиазолин, имидазолидин, пиперазин, гомопиперазин, пиррол, пирролин, пиразол, пиран, пиперидин, оксазол и морфолин. Ареном может быть, например, C6-30 арен, C6-18 арен, C6-10 арен, такой как бензол и нафталин. Гетероареном может быть, например, ароматическая 5- или 6-членная моноциклическая группа, 9- или 10-членная бициклическая группа или 11-14-членная трициклическая группа, каждая из которых содержит, по меньшей мере, один гетероатом (O, S, или N) в, по меньшей мере, одном из колец, и каждое кольцо имеет, по меньшей мере, один атом углерода. Иллюстративные примеры гетероарена включают пиридин, пиридазин, пиримидин, пиразин, бензимидазол, триазин, имидазол, (1,2,3)- и (1,2,4)-триазол, пиразин, тетразол, фуран, бензофуран, пиррол, тиен, изотиазол, тиазол, изоксазол и оксадиазол). Алкан, алкен, алкин, циклоалкан, гетероциклоалкан, арен и гетероарен могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями (например, 1-5, 1-4, 1-3 или 1 или 2), такими как алкил, арил, галоген (F, Cl, Br, I), нитро ((-NO2), циано (-CN), гидрокси (-OH), тиол (-SH), алкокси (-OR), формил (-C(O)H), карбокси (-COOH), карбоксиалкил (-RCOOH), алкилкарбокси (-C(O)OR), амидо (-C(O)NH или -NHC(O)H), моно- или диалкиламидо (-C(O)NRR´ или -NRC(O)H), амино или моно- или диалкиламино, где R является алкилом и R´, является водородом или алкилом, как описано в настоящем документе.In some embodiments, the gaseous organic compound comprises or is selected from the group consisting of alkane, alkene, alkyne, cycloalkane, heterocycloalkane, arene, heteroarene, and combinations thereof. The alkane may be, for example, C 1-20 alkanes, C 1-12 alkanes, C 1-8 alkanes, C 1-6 alkanes, C 1-4 alkanes. The alkene may be, for example, C 1-20 alkenes, C 1-12 alkenes, C 1-8 alkenes, C 1-6 alkenes, C 1-4 alkenes. The alkyne may be, for example, C 1-20 alkynes, C 1-12 alkynes, C 1-8 alkynes, C 1-6 alkynes, C 1-4 alkynes. The cycloalkane may be, for example, C 3-10 cycloalkane, C 3-6 cycloalkane. The heterocycloalkane may be, for example, a stable, saturated or partially unsaturated monocyclic, bicyclic and spiro ring system containing 3-7 ring carbon atoms and other heteroatoms selected from N, S, and/or O. Examples of such heterocycloalkanes include isoxazole, thiazoline, imidazolidine, piperazine, homopiperazine, pyrrole, pyrroline, pyrazole, pyran, piperidine, oxazole and morpholine. The arene may be, for example, C 6-30 arenes, C 6-18 arenes, C 6-10 arenes, such as benzene and naphthalene. The heteroarene may be, for example, an aromatic 5- or 6-membered monocyclic group, a 9- or 10-membered bicyclic group, or an 11-14-membered tricyclic group, each containing at least one heteroatom (O, S, or N) in at least one of the rings, and each ring has at least one carbon atom. Illustrative examples of heteroarene include pyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, benzimidazole, triazine, imidazole, (1,2,3)- and (1,2,4)-triazole, pyrazine, tetrazole, furan, benzofuran, pyrrole, thiene, isothiazole , thiazole, isoxazole and oxadiazole). Alkane, alkene, alkyne, cycloalkane, heterocycloalkane, arene and heteroarene may be optionally substituted with one or more substituents (e.g. 1-5, 1-4, 1-3 or 1 or 2) such as alkyl, aryl, halogen (F , Cl, Br, I), nitro ((-NO 2 ), cyano (-CN), hydroxy (-OH), thiol (-SH), alkoxy (-OR), formyl (-C (O) H), carboxy (-COOH), carboxyalkyl (-RCOOH), alkylcarboxy (-C(O)OR), amido (-C(O)NH or -NHC(O)H), mono- or dialkylamido (-C(O)NRR ´ or -NRC(O)H), amino or mono- or dialkylamino, where R is alkyl and R´ is hydrogen or alkyl, as described herein.

Примеры газообразного органического соединения включают метан, ацетилен, этилен, пропан, 1,3-бутадиен, бутан и любую их комбинацию. Examples of the gaseous organic compound include methane, acetylene, ethylene, propane, 1,3-butadiene, butane, and any combination thereof.

Газообразное органическое соединение доставляют со скоростью потока, подходящей для используемых типа реактора и условий. В некоторых вариантах осуществления, газообразное органическое соединение характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 6 мл/мин до 15 мл/мин (например, от 6 мл/мин до 12 мл/мин, от 7 мл/мин до10 мл/мин) в зоне реакции реактора, особенно когда реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, батарейным реактором со сдвигом, или высокоскоростным реактором со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700).The gaseous organic compound is delivered at a flow rate suitable for the type of reactor and conditions used. In some embodiments, the gaseous organic compound has a flow rate selected from the range of 6 ml/min to 15 ml/min (e.g., 6 ml/min to 12 ml/min, 7 ml/min to 10 ml/min) in the reaction zone of the reactor, especially when the reactor is a hydrodynamic cavitation reactor, a shear stack reactor, or a high speed shear reactor (eg Charles Ross HSM-700).

В некоторых вариантах осуществления, газ содержат восстанавливающее соединение (например, водород), окисляющее соединение (например, кислород, озон, пероксид или воду), инертное соединение (например, аргон, азот) или любую их комбинацию. In some embodiments, the gas contains a reducing compound (eg, hydrogen), an oxidizing compound (eg, oxygen, ozone, peroxide, or water), an inert compound (eg, argon, nitrogen), or any combination thereof.

В некоторых вариантах осуществления жидкость характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C, меньше чем 300°C, меньше чем 200°C, меньше чем или равно 100°C, меньше чем или равно 80°C, меньше чем или равно 50°C, меньше чем или равно 40°C, меньше чем или равно 35°C и/или 20°C или больше в зоне реакции (например, зоне кавитации). В некоторых вариантах осуществления газ характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C, меньше чем 300°C, меньше чем 200°C, меньше чем или равно 100°C, меньше чем или равно 80°C, меньше чем или равно 50°C, меньше чем или равно 40°C, меньше чем или равно 35°C и/или 20°C или больше в реакторе, необязательно в или около зоны реакции (например, зоны кавитации). Любые две из предшествующих конечных точек могут использоваться для определения закрытого диапазона, или единственная конечная точка может использоваться для определения открытого диапазона. In some embodiments, the liquid has a bulk temperature of less than 400°C, less than 300°C, less than 200°C, less than or equal to 100°C, less than or equal to 80°C, less than or equal to 50°C, less than or equal to 40°C, less than or equal to 35°C and/or 20°C or more in the reaction zone (eg, cavitation zone). In some embodiments, the gas has a bulk temperature of less than 400°C, less than 300°C, less than 200°C, less than or equal to 100°C, less than or equal to 80°C, less than or equal to 50°C, less than or equal to 40°C, less than or equal to 35°C and/or 20°C or more in the reactor, optionally in or near the reaction zone (eg, cavitation zone). Any two of the preceding endpoints may be used to define a closed range, or a single endpoint may be used to define an open range.

В некоторых вариантах осуществления жидкость характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 5 л/мин до 200 л/мин (например, от 5 л/мин до 100 л/мин, от 5 л/мин до 50 л/мин, от 10 л/мин до 200 л/мин или от 10 л/мин до 100 л/мин) в зоне реакции реактора, такой как зона кавитации гидродинамического кавитационного реактора или кавитационного реактора обработки ультразвуком, реактора со сдвигом или реактора с механическим перемешиванием. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют (например, впрыскивают) под давлением, выбранным из диапазона от 2 ф./кв.д. до 150 ф./кв.д. (например, 2-100 ф./кв.д., 5-100 ф./кв.д., 10-90 ф./кв.д., 20-70 ф./кв.д.) в зоне реакции (например, зоне кавитации). В некоторых вариантах осуществления давление в зоне реакции (например, зоне кавитации) выбрано из диапазона от 10 ф./кв.д. до 5000 ф./кв.д. (например, от 200 ф./кв.д. до 4000 ф./кв.д., 1000-3000 ф./кв.д.). В некоторых вариантах осуществления, реактор включает ротор-статор, и ротор-статор работает при скорости вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин (например, 250-12000 об/мин, 500-10000 об/мин, 1000-5000 об/мин, 1000-1200 об/мин) в зоне реакции (например, зоне кавитации) реактора. В некоторых вариантах осуществления, время нахождения жидкости в реакторе (например, кавитационном реакторе) выбрано из диапазона от 0,05 до 20 секунд. В некоторых вариантах осуществления, способ выполняется в течение времени процесса, по меньшей мере, 1 минута и, предпочтительно, до 60 минут (например, по меньшей мере, 2 минуты, по меньшей мере, 5 минут, по меньшей мере, 10 минут и/или до 15 минут, до 20 минут, до 30 минут, до 40 минут, до 50). Любые две из вышеуказанных конечных точек могут использоваться для определения закрытого диапазона, или единственная конечная точка может использоваться для определения открытого диапазона. В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор) включает ультразвуковой реактор, где ультразвуковой реактор работает при частоте обработки ультразвуком от 20 кГц до 300 кГц и амплитудном диапазоне 10-100%.In some embodiments, the fluid has a flow rate selected from the range of 5 L/min to 200 L/min (e.g., 5 L/min to 100 L/min, 5 L/min to 50 L/min, 10 L/min /min to 200 l/min or 10 l/min to 100 l/min) in the reaction zone of the reactor, such as the cavitation zone of a hydrodynamic cavitation reactor or a sonication cavitation reactor, a shear reactor or a mechanically stirred reactor. In some embodiments, the gas is delivered (eg, injected) at a pressure selected from a range of 2 psi to 2 psi. up to 150 psi (e.g. 2-100 psi, 5-100 psi, 10-90 psi, 20-70 psi) in the reaction zone (for example, the cavitation zone). In some embodiments, the reaction zone pressure (eg, cavitation zone) is selected from the range of 10 psi to 10 psi. up to 5000 psi (e.g. 200 psi to 4000 psi, 1000-3000 psi). In some embodiments, the reactor includes a rotor-stator, and the rotor-stator operates at a rotation speed selected from a range of 200 rpm to 14,000 rpm (e.g., 250-12,000 rpm, 500-10,000 rpm, 1000-5000 rpm, 1000-1200 rpm) in the reaction zone (eg cavitation zone) of the reactor. In some embodiments, the residence time of the liquid in the reactor (eg, cavitation reactor) is selected from the range of 0.05 to 20 seconds. In some embodiments, the method is performed for a process time of at least 1 minute and preferably up to 60 minutes (e.g., at least 2 minutes, at least 5 minutes, at least 10 minutes and/ or up to 15 minutes, up to 20 minutes, up to 30 minutes, up to 40 minutes, up to 50). Any two of the above endpoints can be used to define a closed range, or a single endpoint can be used to define an open range. In some embodiments, the reactor (eg, cavitation reactor) includes an ultrasonic reactor, where the ultrasonic reactor is operated at a sonication frequency of 20 kHz to 300 kHz and an amplitude range of 10-100%.

В целом твердый углеродный материал не получают, когда способ выполняют в отсутствии стадии доставки газа при в других отношениях эквивалентных стадиях и условиях.In general, no solid carbon material is produced when the process is carried out in the absence of a gas delivery step under otherwise equivalent steps and conditions.

В некоторых вариантах осуществления, способ получения твердого углеродного материала включает функционализацию твердого углеродного материала для получения функционализированного твердого углеродного материала. В некоторых вариантах осуществления способа получения твердого углеродного материала, дисперсия является первой дисперсией, углеродный материал является материалом предшественником, и кавитационный реактор является первым кавитационным реактором; способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне кавитации второго кавитационного реактора; и доставку газа, включающего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации второго кавитационного реактора; таким образом, превращая материал предшественник во второй углеродный материал, где второй углеродный материал в форме второй дисперсии, содержит второй углеродный материал, диспергированный в жидкости; где материал предшественник и второй углеродный материал отличаются. В некоторых вариантах осуществления, первый кавитационный реактор и второй кавитационный реактор являются одинаковыми.In some embodiments, the method for making a hard carbon material includes functionalizing the hard carbon material to produce a functionalized hard carbon material. In some embodiments of the method for producing a solid carbon material, the dispersion is the first dispersion, the carbon material is the precursor material, and the cavitation reactor is the first cavitation reactor; the method further includes: delivering the first dispersion to the second cavitation reactor; formation of cavitation bubbles in the first dispersion in the cavitation zone of the second cavitation reactor; and delivering the gas, including at least one gaseous organic compound, directly to the cavitation zone of the second cavitation reactor; thereby converting the precursor material into a second carbon material, wherein the second carbon material, in the form of a second dispersion, comprises the second carbon material dispersed in the liquid; where the precursor material and the second carbon material are different. In some embodiments, the first cavitation reactor and the second cavitation reactor are the same.

В некоторых вариантах осуществления дисперсия является первой дисперсией, химическая реакция является первой химической реакцией, газ является первым газом, реактор является первым реактором, и твердый углеродный материал является материалом предшественником. В таких вариантах осуществления, способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй реактор; доставку второго газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону реакции второго реактора; и индуцирование второй химической реакции в зоне реакции второго реактора; где: вторая химическая реакция превращает материал предшественник во второй твердый углеродный материал; где второй углеродный материал диспергирован в жидкости; и материал предшественник и второй углеродный материал отличаются. Необязательно, второй реактор является кавитационным реактором, и стадия индуцирования включает формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне реакции второго реактора, как описано в настоящем документе. Необязательно, первый реактор и второй реактор являются одинаковыми.In some embodiments, the dispersion is the first dispersion, the chemical reaction is the first chemical reaction, the gas is the first gas, the reactor is the first reactor, and the solid carbon material is the precursor material. In such embodiments, the method further comprises: delivering the first dispersion to the second reactor; delivering a second gas containing at least one gaseous organic compound directly to the reaction zone of the second reactor; and inducing a second chemical reaction in the reaction zone of the second reactor; where: the second chemical reaction converts the precursor material into a second solid carbon material; where the second carbon material is dispersed in the liquid; and the precursor material and the second carbon material are different. Optionally, the second reactor is a cavitation reactor and the induction step includes forming cavitation bubbles in the first dispersion in the reaction zone of the second reactor, as described herein. Optionally, the first reactor and the second reactor are the same.

В некоторых вариантах осуществления дисперсия является коллоидом, суспензией или их комбинацией. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит серу и графен или содержит гексагональный нитрид бора и графен. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит графен или графеноподобный материал. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал является графеном или графеноподобным материалом. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит нанокомпозит графенового полимера. В некоторых вариантах осуществления, графен является морщинистым графеном, раскрошенным графеном, графеном с отверстиями или любой их комбинацией. In some embodiments, the dispersion is a colloid, a suspension, or a combination thereof. In some embodiments, the carbon material comprises graphite , expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon slabs, carbon nanotubes, carbon onions, another carbon allotrope, graphene-containing composite, cationic graphene, or any combination thereof. In some embodiments, the carbon material contains sulfur and graphene, or contains hexagonal boron nitride and graphene. In some embodiments, the carbon material comprises graphene or a graphene-like material. In some embodiments, the carbon material is graphene or a graphene-like material. In some embodiments, the carbon material comprises a graphene polymer nanocomposite. In some embodiments, the graphene is wrinkled graphene, crushed graphene, holed graphene, or any combination thereof.

В некоторых вариантах осуществления, твердый углеродный материал характеризуется содержанием кислорода меньше чем или равно 10% атом. (например, меньше чем или равно 7% атом., меньше чем или равно 5% атом., меньше чем или равно 1% атом., меньше чем или равно 0,5% атом., или меньше чем или равно 0,1% атом.) («% атом.» является атомным процентом). В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал характеризуется отношением атомных концентраций углерод:кислород, таким как, по меньшей мере, 150:1, по меньшей мере, 175:1, по меньшей мере, 200:1, по меньшей мере, 225:1, или по меньшей мере, 249:1. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал по существу не содержит кислород. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал является кристаллическим (например, кристаллический графен). В некоторых вариантах осуществления, гидродинамическая кавитация создает микронные графеноподобные пластины. В некоторых вариантах осуществления, высокий сдвиг дает кристаллический графеновый материал. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -160 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +20 мВ или меньше чем -20 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +30 мВ или меньше чем -30 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +50 мВ или меньше чем -50 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +60 мВ или меньше чем -60 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 100 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 80 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 70 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 60 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 50 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия характеризуется коэффициентом трения, уменьшающимся, по меньшей мере, на 5%, предпочтительно, по меньшей мере, на 10%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 20%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, на 30% и далее более предпочтительно, по меньшей мере, на 50% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала. In some embodiments, the solid carbon material has an oxygen content of less than or equal to 10% atom. (e.g. less than or equal to 7% atom, less than or equal to 5% atom, less than or equal to 1% atom, less than or equal to 0.5% atom, or less than or equal to 0.1% atom.) ("% atom." is an atomic percentage). In some embodiments, the carbon material has a carbon:oxygen atomic concentration ratio such as at least 150:1, at least 175:1, at least 200:1, at least 225:1, or at least 249:1. In some embodiments, the carbon material is substantially free of oxygen. In some embodiments, the carbon material is crystalline (eg, crystalline graphene). In some embodiments, hydrodynamic cavitation creates micron graphene-like plates. In some embodiments, the high shear results in a crystalline graphene material. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +40 mV or less than -160 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +20 mV or less than -20 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +30 mV or less than -30 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +40 mV or less than -40 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +50 mV or less than -50 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +60 mV or less than -60 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has an absolute Zeta potential value selected from the range of 20 mV to 100 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has an absolute Zeta potential value selected from the range of 20 mV to 80 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has an absolute Zeta potential value selected from the range of 20 mV to 70 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has an absolute Zeta potential value selected from the range of 20 mV to 60 mV. In some embodiments, the dispersion or carbon material in the dispersion has an absolute Zeta potential value selected from the range of 20 mV to 50 mV. In some embodiments, the dispersion has a coefficient of friction that decreases by at least 5%, preferably by at least 10%, more preferably by at least 20%, even more preferably by at least 30% and further more preferably at least 50% relative to the same liquid without solid carbon material.

Было обнаружено, что in situ формирование твердого углеродного материала в дисперсии увеличивает смазывание жидкости. Улучшение может измеряться с точки зрения восстановления следа изнашивания и/или коэффициента трения к той же жидкости без твердого углеродного материала. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия характеризуется следом изнашивания, уменьшающимся, по меньшей мере, на 3%, необязательно, по меньшей мере, на 5%, предпочтительно, по меньшей мере, на 10%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 20%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, на 30% и далее более предпочтительно, по меньшей мере, на 50% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала. Значение следа изнашивания может измеряться любой подходящей методикой, включая ASTM D 4172, Four Ball Wear масла с графиком коэффициента трения. В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно включает использование твердого углеродного материала или дисперсии для уменьшения трения. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия уменьшает коэффициент трения, по меньшей мере, на 5% (например, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20%, по меньшей мере, на 30%, по меньшей мере, на 40%, по меньшей мере, на 50% и/или до 80%, до 70%, до 60% или до 50%). Любые две из предшествующих конечных точек могут использоваться для определения закрытого диапазона, или единственная конечная точка может использоваться для определения открытого диапазона. В некоторых вариантах осуществления, дисперсию используют для уменьшения трения, не вычищая или изолируя углеродный материал из дисперсии. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал или дисперсия является частью батареи (например, анодом батареи и/или катодом батареи), токопроводящим материалом, теплопроводящим материалом, смазочной жидкостью и/или теплопроводящей жидкостью. Необязательно, способ включает in situ уменьшение трения. It has been found that in situ formation of a solid carbon material in the dispersion increases fluid lubrication. The improvement can be measured in terms of wear track recovery and/or coefficient of friction to the same fluid without the hard carbon material. In some embodiments, the dispersion has a wear track reduced by at least 3%, optionally at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 20% , even more preferably at least 30% and further more preferably at least 50% relative to the same liquid without solid carbon material. The wear mark value can be measured by any suitable technique, including ASTM D 4172, Four Ball Wear Oil with Friction Coefficient Plot. In some embodiments, the method further comprises using a hard carbon material or dispersion to reduce friction. In some embodiments, the dispersion reduces the coefficient of friction by at least 5% (e.g., at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least 40 %, at least 50% and/or up to 80%, up to 70%, up to 60% or up to 50%). Any two of the preceding endpoints may be used to define a closed range, or a single endpoint may be used to define an open range. In some embodiments, the dispersion is used to reduce friction without scrubbing or isolating the carbon material from the dispersion. In some embodiments, the carbon material or dispersion is a part of the battery (eg, a battery anode and/or a battery cathode), a conductive material, a heat transfer material, a lubricating fluid, and/or a heat transfer fluid. Optionally, the method includes in situ friction reduction.

В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор, реактор с механическим перемешиванием) содержит систему охлаждения. В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор, реактор с механическим перемешиванием) содержит теплообменник и/или холодильник. В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор, реактор с механическим перемешиванием) содержит множество зон реакции (например, кавитационных зон). В некоторых вариантах осуществления, гидродинамический кавитационный реактор включает множество отверстий. In some embodiments, the reactor (eg, cavitation reactor, mechanically stirred reactor) includes a cooling system. In some embodiments, the reactor (eg, cavitation reactor, mechanically stirred reactor) comprises a heat exchanger and/or a cooler. In some embodiments, the reactor (eg, cavitation reactor, mechanically stirred reactor) contains a plurality of reaction zones (eg, cavitation zones). In some embodiments, the hydrodynamic cavitation reactor includes a plurality of holes.

Также в настоящем документе описан способ функционализации первого твердого углеродного материала, диспергированного в жидкости, где первый твердый углеродный материал предшественник диспергирован в жидкости, являющейся первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в зону реакции реактора; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; доставку газа в зону реакции реактора; и индуцирование функционализационной химической реакции, где: функционализационная химическая реакция формирует второй углеродный материал из первого углеродного материала; функционализационная химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; и второй твердый углеродный материал получен во время реакции в форме второй дисперсии, где вторая дисперсия, включает второй твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости. Необязательно, функционализационная химическая реакция включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию первого твердого углеродного материала. Необязательно, первый твердый углеродный материал содержит оксид графена, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию. Необязательно, второй твердый углеродный материал содержит, восстановленный оксид графена, оксид графена, окисленный по краю графен, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию. Необязательно, первый твердый углеродный материал содержит оксид графена, и второй твердый углеродный материал содержит восстановленный оксид графена. Необязательно, атомная доля кислорода во втором углеродном материале составляет, по меньшей мере, на 50% меньше, чем атомная доля кислорода в первом углеродном материале. Необязательно, функционализационная химическая реакция включает окисление первого твердого углеродного материала, таким образом, что второй твердый углеродный материал растворим в воде. Необязательно, жидкость включает воду, и вторая дисперсия является водной дисперсией второго углеродного материала в воде. Необязательно, функционализационная химическая реакция включает добавление атомов кислорода к первому твердому углеродному материалу, удаление атомов кислорода из первого твердого углеродного материала, добавление атомов углерода к первому твердому углеродному материалу, добавления атомов азота к первому твердому углеродному материалу, добавление атомов серы к первому твердому углеродному материалу или их комбинацию. Необязательно, газ содержит кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO2, озон или любую их комбинацию. Необязательно, реактор является кавитационным реактором, и зона реакции является зоной кавитации; способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и газ впрыскивается непосредственно в зону кавитации. Необязательно, первый твердый углеродный материал химически не связан с твердой подложкой во время функционализационной химической реакции. Необязательно, газ содержит, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение (например, метан, ацетилен, этилен, пропан, 1,3-бутадиен, бутан и их комбинации).Also described herein is a method for functionalizing a first solid carbon material dispersed in a liquid, wherein the first solid carbon material precursor is dispersed in a liquid that is the first dispersion, where the method includes the steps of: delivering the first dispersion to a reactor reaction zone; where the liquid contains at least one liquid organic compound; delivery of gas to the reaction zone of the reactor; and inducing a functionalization chemical reaction, wherein: the functionalization chemical reaction forms a second carbon material from the first carbon material; the functionalization chemical reaction takes place in the reaction zone of the reactor; and the second solid carbon material is obtained during the reaction in the form of a second dispersion, where the second dispersion includes a second solid carbon material dispersed in a liquid. Optionally, the functionalization chemistry includes chemical, physical, or both chemical and physical functionalization of the first solid carbon material. Optionally, the first solid carbon material comprises graphene oxide, graphite , expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon slabs, carbon nanotubes, carbon onions, another carbon allotrope, graphene-containing composite, cationic graphene, or any combination thereof. Optionally, the second solid carbon material comprises, reduced graphene oxide, graphene oxide, edge-oxidized graphene, graphite , expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon slabs, carbon nanotubes, carbon onions, another carbon allotrope, graphene containing composite , cationic graphene, or any combination thereof. Optionally, the first hard carbon material contains graphene oxide and the second hard carbon material contains reduced graphene oxide. Optionally, the atomic fraction of oxygen in the second carbon material is at least 50% less than the atomic fraction of oxygen in the first carbon material. Optionally, the functionalization chemistry includes oxidizing the first solid carbon material such that the second solid carbon material is soluble in water. Optionally, the liquid includes water and the second dispersion is an aqueous dispersion of the second carbon material in water. Optionally, the functionalization chemistry includes adding oxygen atoms to the first solid carbon material, removing oxygen atoms from the first solid carbon material, adding carbon atoms to the first solid carbon material, adding nitrogen atoms to the first solid carbon material, adding sulfur atoms to the first solid carbon material or a combination of them. Optionally, the gas contains oxygen, water vapor, hydrogen, nitrogen, sulfur dioxide, CO 2 , ozone, or any combination thereof. Optionally, the reactor is a cavitation reactor and the reaction zone is a cavitation zone; the method includes the formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor; and the gas is injected directly into the cavitation zone. Optionally, the first solid carbon material is not chemically bonded to the solid support during the functionalization chemical reaction. Optionally, the gas contains at least one gaseous organic compound (eg, methane, acetylene, ethylene, propane, 1,3-butadiene, butane, and combinations thereof).

В одном аспекте, в настоящем документе представлен способ функционализации материала, диспергированного в жидкости, где материал, диспергированный в жидкости, является первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в кавитационный реактор; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; формирования кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации гидродинамического кавитационного реактора; и доставки газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, функционализируя материал для формирования второй дисперсии, где вторая дисперсия включает функционализированный материал, диспергированный в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, функционализация материала включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию материала. В некоторых вариантах осуществления, материал содержит графен, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, гексагональный нитрид бора или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, функционализированный материал содержит оксид графена. В некоторых вариантах осуществления, функционализация включает добавление атомов кислорода к материалу, удаление атомов кислорода из материала, добавление атомов азота к материалу, добавление атомов серы к материалу или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ содержит кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии осуществления доставки газа. В некоторых вариантах осуществления стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняют одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд). В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования кавитационных пузырей включает нуклеацию кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, где область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в кавитационной реакции во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутри или в 1 мм от кавитационного облака. В некоторых вариантах осуществления, способ функционализации материала включает завершение доставки газа и сохранение дисперсии в зоне кавитации, при отсутствии доставки газа в зону кавитации. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации, способ функционализации дополнительно включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней. In one aspect, provided herein is a method for functionalizing a liquid-dispersed material, wherein the liquid-dispersed material is a first dispersion, the method comprising the steps of: delivering the first dispersion to a cavitation reactor; where the liquid contains at least one liquid organic compound; formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the hydrodynamic cavitation reactor; and delivering a gas containing at least one gaseous organic compound directly to the cavitation zone of the cavitation reactor; thus functionalizing the material to form a second dispersion, wherein the second dispersion comprises a functionalized material dispersed in a liquid. In some embodiments, the functionalization of a material includes chemical, physical, or both chemical and physical functionalization of the material. In some embodiments, the material comprises graphene, carbon nanotubes, carbon onions, another carbon allotrope, hexagonal boron nitride, or any combination thereof. In some embodiments, the functionalized material contains graphene oxide. In some embodiments, functionalization includes adding oxygen atoms to a material, removing oxygen atoms from a material, adding nitrogen atoms to a material, adding sulfur atoms to a material, or a combination thereof. In some embodiments, the gas contains oxygen, steam, hydrogen, nitrogen, sulfur dioxide, or any combination thereof. In some embodiments, the gas is delivered directly to the cavitation zone during the gas delivery step. In some embodiments, the cavitation bubble formation and gas delivery steps are performed simultaneously or nearly simultaneously (eg, within 5 minutes, within 4 minutes, within 2 minutes, within 1 minute, within 30 seconds). In some embodiments, the step of forming the cavitation bubbles includes nucleating the cavitation bubbles. In some embodiments, during the gas delivery step, gas is delivered directly to or within 1 mm of the cavitation bubble nucleation region, where the cavitation bubble nucleation region corresponds to cavitation bubble nucleation in the cavitation reaction during the formation step. In some embodiments, the formation step includes forming a cavitation cloud including cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor where the gas is delivered directly within or within 1 mm of the cavitation cloud. In some embodiments, the method of functionalizing the material includes completing gas delivery and maintaining the dispersion in the cavitation zone, while not delivering gas to the cavitation zone. In some embodiments, during the stage of maintaining the dispersion in the cavitation zone and after the completion stage and in the absence of gas delivery to the cavitation zone, the functionalization method further includes the step of degassing the dispersion to reduce the concentration of gas trapped therein.

В некоторых вариантах осуществления, гидродинамический кавитационный реактор включает зону предкавитации и зону отверстия, где зона отверстия между зоной предкавитации и зоной кавитации. Зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое что жидкость течет из зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие. Другими словами, во время стадии доставки жидкости, жидкость может быть доставлена в зону предкавитации таким образом, что жидкость впоследствии вытекает из зоны предкавитации, по меньшей мере, через одно отверстие, в зону кавитации. Каждое, по меньшей мере, из одного отверстия характеризуется внутренним диаметром отверстия, который меньше, чем внутренний диаметр зоны предкавитации. В некоторых вариантах осуществления, внутренний диаметр зоны кавитации непосредственно за пределами, по меньшей мере, одного отверстия больше, чем внутренний диаметр отверстия. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют в 1 мм (например, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм) или непосредственно в конец (например, выход) по меньшей мере, одного отверстия (например, конец одной или нескольких труб выделения газа и доставки туда газа).In some embodiments, the hydrodynamic cavitation reactor includes a pre-cavitation zone and an orifice zone, where the orifice zone is between the pre-cavitation zone and the cavitation zone. The orifice zone includes at least one orifice such that liquid flows from the pre-cavitation zone to the cavitation zone through at least one orifice. In other words, during the liquid delivery step, liquid can be delivered to the pre-cavitation zone such that liquid subsequently flows out of the pre-cavitation zone through at least one opening into the cavitation zone. Each of at least one of the holes is characterized by an inner diameter of the hole, which is less than the inner diameter of the pre-cavitation zone. In some embodiments, the internal diameter of the cavitation zone immediately outside the at least one orifice is greater than the internal diameter of the orifice. In some embodiments, gas is delivered at 1 mm (e.g., 0.8 mm, 0.6 mm, 0.5 mm, 0.3 mm, 0.2 mm) or directly to the end (e.g., exit) of at least one opening (for example, the end of one or more pipes for degassing and delivering gas there).

Также в настоящем документе описан способ получения твердого углеродного материала или его дисперсии, включающей любой один или любую комбинацию вариантов осуществления способов, описанных в настоящем документе, включая способы получения твердого углеродного материала и способы функционализации материала. Также в настоящем документе описан способ функционализации твердого углеродного материала, включающий любой один или любую комбинацию вариантов осуществления способов, описанных в настоящем документе, включая способы получения твердого углеродного материала и способы функционализации материала.Also described herein is a process for producing a solid carbon material or a dispersion thereof, comprising any one or any combination of embodiments of the methods described herein, including methods for producing a solid carbon material and methods for functionalizing a material. Also described herein is a method for functionalizing a hard carbon material, including any one or any combination of embodiments of the methods described herein, including methods for producing a hard carbon material and methods for functionalizing a material.

В настоящий документ включены способы получения твердых углеродных материалов, которые совместимы с множеством реакторных технологий. Обычно, и не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, реакторы, применяемые в способах, описанных в настоящем документе, облегчают химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Реакторы, облегчающие химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов), будут упомянуты в настоящем документе как «реакторы газожидкостного массообмена». Кавитационные реакторы, такие как описаны в настоящем документе, могут быть типовыми реакторами газожидкостного массообмена, облегчающими химическую реакцию, которые включают газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Реакторами со сдвигом, такими как описаны в настоящем документе, могут быть типовые реакторы газожидкостного массообмена, облегчающие химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). В определенных вариантах осуществления, реакторы с механическим перемешиванием, такие, как описаны в настоящем документе, включая мешалки, такие как газ-индуцирующая мешалка, могут обеспечить сдвиг для облегчения химической реакции, включающей газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Соответствующие реакторы, которые могут использоваться в качестве реакторов газожидкостного массообмена, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе, включают, но не ограничиваются ими: реакторы с перемешиванием или вращением (включая турбинные, монолитные и пенные реакторы), трубчатые реакторы с вращением (включая реакторы с уплотненным слоем, с гармошкой, с псевдоожиженным слоем, Тейлора-Куетта и двухтрубчатые), реакторы с вращающимися дисками (включая реакторы типа ротор-статор, тонкопленочные и с вращающимся дисками), реакторы с ударной волной и реакторы с непрерывным потоком.Included herein are methods for producing solid carbon materials that are compatible with a variety of reactor technologies. Generally, and without wishing to be bound by any particular theory, the reactors used in the processes described herein facilitate a chemical reaction involving gas-liquid mass transfer to produce solid carbon material(s). Reactors facilitating a chemical reaction involving gas-liquid mass transfer to produce solid carbon material(s) will be referred to herein as "gas-liquid mass transfer reactors". Cavitation reactors, such as those described herein, may be typical gas-liquid mass transfer reactors that facilitate a chemical reaction that include gas-liquid mass transfer to produce solid carbon material(s). Shift reactors, such as those described herein, may be typical gas-liquid mass transfer reactors facilitating a chemical reaction involving gas-liquid mass transfer to produce solid carbon material(s). In certain embodiments, mechanically agitated reactors such as those described herein, including agitators such as a gas-inducing agitator, can provide shear to facilitate a chemical reaction involving gas-liquid mass transfer to produce solid carbon material(s). Suitable reactors that can be used as gas-liquid mass transfer reactors according to the embodiments described herein include, but are not limited to: stirred or spinning reactors (including turbine, monolithic, and foam reactors), tubular spinning reactors (including packed-bed, bellows, fluidized-bed, Taylor-Couette and twin-tube), rotating disk reactors (including rotor-stator, thin film and rotating disk reactors), shock wave and continuous flow reactors.

Необходимо отметить, однако, что реакторы, описанные в настоящем документе, такие как кавитационные реакторы и реакторы с механическим перемешиванием, например, не обязательно являются реакторами газожидкостного массообмена или не обязательно (неотъемлемо) используются способом, который облегчает химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Способы, описанные в настоящем документе, описывают, как облегчить газожидкостный массообмен для получения твердых углеродных материалов в реакторах, которые могут быть сконфигурированы так, чтобы быть совместимыми со способами, описанными в настоящем документе. It should be noted, however, that the reactors described herein, such as cavitation reactors and mechanically stirred reactors, for example, are not necessarily gas-liquid mass transfer reactors or are not necessarily (inherently) used in a manner that facilitates a chemical reaction involving gas-liquid mass transfer to obtain solid carbon material(s). The methods described herein describe how to facilitate gas-liquid mass transfer to produce solid carbon materials in reactors that can be configured to be compatible with the methods described herein.

Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, процессы или механизм газожидкостного массообмена, применяемые в настоящем документе, могут включать три стадии: (1) газожидкостный массообмен, (2) который дает начало химическим реакциям, которые (3) дают твердый углеродный материал(ы), такой как графеноподобный материал(ы) или луковичный углерод (OLC). Газожидкостный массообмен является физическим явлением, при определенных условиях дающим начало химическим реакциям. Эти реакции происходят, поскольку диффундирующие газовые молекулы обмениваются на поверхности раздела газ-жидкость. Для облегчения получения твердых углеродных материалов, согласно вариантам осуществления в настоящем документе, газ предпочтительно, дисперигрован в жидкости с маленькими газовыми пузырьками. Меньшие пузыри создают большую площадь поверхности на поверхности раздела и, таким образом, дают большую передачу газа в жидкость (см., например, Sideman et al., Ind. Eng. Chem. 1966, 58, 7, 32-47). Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, явление «массообмена с химической реакцией» происходит каждый раз, когда одна фаза контактирует с одной или несколькими другими фазами не в химическом равновесии с ними. Это явление имеет промышленную, биологическую и физиологическую важность. При создании химического процесса, с этим сталкиваются в обоих, процессах разделения и создании реакции. В некоторых случаях химическая реакция может сознательно использоваться для ускорения темпа массообмена и/или для увеличения эффективности растворителя; в других случаях многофазная реакционная система является частью процесса с определенной целью формирования продукта. Without wishing to be bound by any particular theory, the processes or mechanism of gas-liquid mass transfer used herein may include three stages: (1) gas-liquid mass transfer, (2) which gives rise to chemical reactions that (3) give rise to solid carbon material( s), such as graphene-like material(s) or onion carbon (OLC). Gas-liquid mass transfer is a physical phenomenon that, under certain conditions, gives rise to chemical reactions. These reactions occur as diffusing gas molecules exchange at gas-liquid interfaces. To facilitate the production of solid carbon materials, according to embodiments herein, the gas is preferably dispersed in a liquid with small gas bubbles. Smaller bubbles create more surface area at the interface and thus give more gas-to-liquid transfer (see, for example, Sideman et al., Ind. Eng. Chem. 1966, 58, 7, 32-47). Without wishing to be bound by any particular theory, the phenomenon of "mass transfer with a chemical reaction" occurs whenever one phase contacts one or more other phases not in chemical equilibrium with them. This phenomenon is of industrial, biological and physiological importance. When creating a chemical process, it is encountered in both, separation processes and reaction creation. In some cases, a chemical reaction may be deliberately used to increase the rate of mass transfer and/or to increase the efficiency of the solvent; in other cases, a multiphase reaction system is part of a process with the express purpose of forming a product.

Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, реакторы газожидкостного массообмена ускоряют передачу газа в жидкость путем добавления условий высокого давления, тепла или экстремального смешивания, сдвига или их комбинации. Были разработаны многочисленные технологии реактора газожидкостного массообмена, некоторые из которых являются системами пробного запуска (Visscher et al., Chemical Engineering Research And Design, 2013, 91, 1923-1940), другие являются промышленными системами, такими как обработка технической воды, жидкостная каталитическая гидрогенизация и удаление CO2 путем реакции CO2 газа с реактивными растворителями (Numerical Gas-Liquid Mass Transfer: Application In Water Treatment Process And Experimental Validation, October 1999, Conference: Second European Congress Of Chemical Engineering (Ecce2), At: Montpellier, France; Yuea et al., Chinese Academy Of Sciences, Beijing 100039, 21 December 2006 Available Online 17 January 2007, и Introduction To Modeling Of Mass Transfer Processes, P. A. Ramachandran, March 14, 2018).Without wishing to be bound by any particular theory, gas-liquid mass transfer reactors accelerate gas-to-liquid transfer by adding conditions of high pressure, heat, or extreme mixing, shear, or a combination thereof. Numerous gas-liquid mass transfer reactor technologies have been developed, some of which are trial run systems (Visscher et al., Chemical Engineering Research And Design , 2013, 91, 1923-1940), others are industrial systems such as process water treatment, liquid catalytic hydrogenation and removing CO 2 by reacting CO 2 gas with reactive solvents (Numerical Gas-Liquid Mass Transfer: Application In Water Treatment Process And Experimental Validation, October 1999, Conference: Second European Congress Of Chemical Engineering (Ecce2), At: Montpellier, France; Yuea et al., Chinese Academy Of Sciences, Beijing 100039, 21 December 2006 Available Online 17 January 2007, and Introduction To Modeling Of Mass Transfer Processes , PA Ramachandran, March 14, 2018).

Когда газ реагирует с жидкостью, массообмен происходит одновременно с химической реакцией. В такой ситуации химическая кинетика сочетается с массовым перемещением, что означает, что это больше не просто химическая реакция, а скорее, сложный химически-физический процесс. В зависимости от реактора и различных рабочих параметров, процесс иметь тенденцию к тому, чтобы быть ограниченным по скорости диффузии или ограниченным по скорости реакции. Например, процесс может рассматриваться как сначала требующей инфузии газа в жидкости в виде пузырьков, которая ограничена диффузией, с последующей реакцией на границе раздела жидкости и газа пузыре. When a gas reacts with a liquid, mass transfer occurs simultaneously with the chemical reaction. In such a situation, chemical kinetics is combined with mass movement, which means that it is no longer just a chemical reaction, but rather a complex chemical-physical process. Depending on the reactor and various operating parameters, the process tends to be diffusion rate limited or reaction rate limited. For example, the process can be thought of as first requiring the infusion of a gas into a bubble liquid that is diffusion limited, followed by a reaction at the interface of the liquid and gas bubble.

Основная теория химического конструирования постулирует линейное отношение между степенью перемешивания, сдвига или смешивания и общим результатом (Kобщее), например, как в реакторных системах с механическим перемешиванием. При меньших скоростях перемешивания, процесс ограничен скоростью «диффузии», но при определенном уровне перемешивания существует переходная зона, где результат достигает плато и становится ограниченным скоростью «реакции». Это проиллюстрировано на ФИГ. 22, например, в диаграмме Kобщий к об./мин. мешалки из книги “Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering” by Jonathan Wostell, 2016.Basic chemical design theory postulates a linear relationship between the degree of agitation, shear, or mixing and the overall result ( Ktotal ), such as in mechanically agitated reactor systems. At lower agitation rates, the process is rate-limited "diffusion", but at a certain level of agitation there is a transition zone where the result reaches a plateau and becomes rate-limited "reaction". This is illustrated in FIG. 22, for example, in the diagram K total to rpm. stirrers from the book “Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering” by Jonathan Wostell, 2016.

Также важно учитывать степень, до которой газ растворим в жидкости. Если газ умеренно растворим в жидкости, то процесс будет иметь тенденцию к тому, чтобы быть ограниченным скоростью диффузии.It is also important to consider the degree to which the gas is soluble in the liquid. If the gas is sparingly soluble in the liquid, then the process will tend to be rate-limited by diffusion.

Как будет понятно из предшествующего и следующих обсуждений, заметное улучшение способов и системы, описанных в настоящем документе, в сравнении с обычными технологиями получения твердых углеродных материалов, включая, в частности, графен и графеноподобные материалы, например, состоит в том, что твердые углеродные материалы получают в форме дисперсии in situ. Другими словами, при получении и после получения, твердые углеродные материалы диспергированы в жидкости. В отличие от этого, определенные обычные технологии получения графена, таких как те, которые используют химическое паровое осаждение, формируют графен на или иначе физически и/или химически связанным с твердой подложкой. Согласно таким обычным технологиям, получение дисперсии графена требует впоследствии удаления графена с указанной подложки и последующего диспергирования графена в жидкости, таким образом, не получая дисперсию in situ. Дисперсии графена или других твердых углеродных материалов полезны для различных областей применения, включая, но не ограничиваясь ими, смазку. Кроме того, дисперсии могут быть проще и более безопасными для работы, чем сухие твердые порошки, даже в случаях, где конечное применение требует твердый углеродный материал в форме порошка. Кроме того, сушка или фильтрация дисперсии могут быть легче и менее дорогими, чем химия, требуемая для диспергирования твердого порошка в растворителе. Таким образом, способы, описанные в настоящем документе, является предпочтительными в том, что они дают дисперсии in situ, содержащие твердые углеродные материал(ы), которые получают в одну стадию, а не в несколько стадий. В варианте осуществления, настоящее изобретение представляет дисперсию, содержащую, по меньшей мере, один твердый углеродный материал в жидкости, где по меньшей мере, один твердый углеродный материал получают в соответствии с любым из способов, описанных в настоящем документе. Твердый углеродный материал и жидкость описаны во всем документе. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия может быть описана как стабильная, такая, что частицы твердого углеродного материала остаются диспергированными в дисперсии и не выпадают в осадок или не осаждаются из жидкости дисперсии в течение указанного периода времени (например, по меньшей мере, 1 час, по меньшей мере, 2 часа, по меньшей мере, 3 часа, по меньшей мере, 5 часов, по меньшей мере, 12 часов, по меньшей мере, 24 часа, по меньшей мере, 36 часов, по меньшей мере, 48 часов или, по меньшей мере, 1 неделя) при обычной температуре и давлении (NTP) и под воздействием воздуха.As will be appreciated from the foregoing and following discussions, a marked improvement in the methods and system described herein over conventional technologies for producing hard carbon materials, including but not limited to graphene and graphene-like materials, for example, is that hard carbon materials receive in the form of dispersion in situ. In other words, upon receipt and after receipt, solid carbon materials are dispersed in a liquid. In contrast, certain conventional graphene technologies, such as those using chemical vapor deposition, form graphene on or otherwise physically and/or chemically bonded to a solid substrate. According to such conventional techniques, the preparation of a graphene dispersion requires subsequently removing the graphene from said substrate and then dispersing the graphene in a liquid, thus not obtaining an in situ dispersion. Dispersions of graphene or other hard carbon materials are useful for a variety of applications including, but not limited to, lubrication. In addition, dispersions can be simpler and safer to handle than dry solid powders, even in cases where the end use requires a solid carbon material in powder form. In addition, drying or filtering the dispersion may be easier and less expensive than the chemistry required to disperse the solid powder in a solvent. Thus, the methods described herein are advantageous in that they produce in situ dispersions containing solid carbon material(s) that are produced in a single step rather than multiple steps. In an embodiment, the present invention is a dispersion containing at least one solid carbon material in a liquid, where at least one solid carbon material is produced in accordance with any of the methods described herein. Solid carbon material and liquid are described throughout the document. In some embodiments, the dispersion can be described as stable, such that particles of solid carbon material remain dispersed in the dispersion and do not precipitate or precipitate from the dispersion liquid for a specified period of time (e.g., at least 1 hour, at least 2 hours, at least 3 hours, at least 5 hours, at least 12 hours, at least 24 hours, at least 36 hours, at least 48 hours, or at least at least 1 week) at normal temperature and pressure (NTP) and under the influence of air.

Во всем описании описаны гидродинамические кавитационные реакторы и способы, использующие гидродинамические кавитационные реакторы. Как очевидно из вышесказанного, гидродинамические кавитационные реакторы, применяемые и описанные в настоящем документе, включают подмножество реакторов газожидкостного массообмена, которые совместимы со способами, описанными в настоящем документе, для того, чтобы получить и для функционализации твердых углеродных материалов. Throughout the specification, hydrodynamic cavitation reactors and methods using hydrodynamic cavitation reactors are described. As is apparent from the foregoing, hydrodynamic cavitation reactors used and described herein include a subset of gas-liquid mass transfer reactors that are compatible with the methods described herein in order to prepare and functionalize solid carbon materials.

Часть типового гидродинамического кавитационного реактора 100, применяемого в способах, описанных в настоящем документе, проиллюстрирована на ФИГ. 1. Гидродинамическая кавитационная реакция 100 является типовым реактором для получения твердого углеродного материала, согласно определенным вариантам осуществления в настоящем документе. Гидродинамический кавитационный реактор 100 включает предкавитационную камеру 102, внутренний объем которой соответствует зоне предкавитации 104. Предкавитационная камера 102 функционально связана с диафрагмой 106. Диафрагма 106 включает отверстие 110, имеющее зону отверстия 108. Диафрагма 106 функционально связана с кавитационной камерой 112. Внутренний объем кавитационной камеры 112 соответствует зоне кавитации 114. Функциональная связь между предкавитационной камерой 102, диафрагмой 106 и кавитационной камерой 112 позволяет жидкости 120, которая доставляется в зону предкавитации 104 из предкавитационной камеры 102, вытекать из зоны предкавитации 104 через зону отверстия 108 из отверстия 110 и в зону кавитации 114 из кавитационной камеры 112, как проиллюстрировано стрелками направления потока жидкости 122(I) и 122(II). Внезапное изменение давления, связанное с переходом жидкости 120 из зоны отверстия 108 в зону кавитации 114 является причиной образования кавитационных пузырей 118 в зоне нуклеации кавитационного пузыря 116. Зона кавитации 114, включая зону 116 нуклеации кавитационного пузыря, соответствует «зоне реакции» реактора. Зона кавитации 114 включает зону 116 нуклеации кавитационного пузыря. Например, кавитационные пузыри нуклеируют непосредственно на границе раздела между отверстием 110 и кавитационной камерой 112. Гидродинамический кавитационный реактор 100 дополнительно включает трубки доставки газа 124(I) и 124(II) для доставки газа 126 в зону кавитации 114, например, непосредственно в зону 116 нуклеации кавитационного пузыря. Стрелки направления потока газа 128(I) и 128(II) показывают направление доставки газа. Необязательно, реактор 100 включает одну трубку доставки газа или больше чем две трубки доставки газа. Необязательно, реактор 100 включает более одного отверстия 110. Гидродинамические кавитационные реакторы, применяемые в способах, описанных в настоящем документе, могут иметь другие конфигурации, включая особенности и конфигурации известных в данной области техники гидродинамических кавитационных реакторов. Part of a typical hydrodynamic cavitation reactor 100 used in the methods described herein is illustrated in FIG. 1. Hydrodynamic cavitation reaction 100 is a typical solid carbon material reactor, according to certain embodiments herein. The hydrodynamic cavitation reactor 100 includes a pre-cavitation chamber 102, the internal volume of which corresponds to the pre-cavitation zone 104. The pre-cavitation chamber 102 is operatively connected to the diaphragm 106. The diaphragm 106 includes an opening 110 having an opening zone 108. The diaphragm 106 is operatively connected to the cavitation chamber 112. The internal volume of the cavitation chamber 112 corresponds to the cavitation zone 114. The functional relationship between the pre-cavitation chamber 102, the diaphragm 106 and the cavitation chamber 112 allows the liquid 120, which is delivered to the pre-cavitation zone 104 from the pre-cavitation chamber 102, to flow out of the pre-cavitation zone 104 through the area of the hole 108 from the hole 110 and into the cavitation zone 114 from the cavitation chamber 112 as illustrated by the liquid flow direction arrows 122(I) and 122(II). The sudden change in pressure associated with the transition of liquid 120 from the zone of the opening 108 to the cavitation zone 114 causes the formation of cavitation bubbles 118 in the nucleation zone of the cavitation bubble 116. The cavitation zone 114, including the nucleation zone 116 of the cavitation bubble, corresponds to the "reaction zone" of the reactor. The cavitation zone 114 includes a nucleation zone 116 of the cavitation bubble. For example, cavitation bubbles are nucleated directly at the interface between opening 110 and cavitation chamber 112. Hydrodynamic cavitation reactor 100 further includes gas delivery tubes 124(I) and 124(II) to deliver gas 126 to cavitation zone 114, for example, directly to zone 116 nucleation of the cavitation bubble. Gas flow direction arrows 128(I) and 128(II) indicate the direction of gas delivery. Optionally, the reactor 100 includes one gas delivery tube or more than two gas delivery tubes. Optionally, reactor 100 includes more than one opening 110. Hydrodynamic cavitation reactors used in the methods described herein may have other configurations, including the features and configurations of hydrodynamic cavitation reactors known in the art.

В настоящий документ включен способ получения углеродных материалов in situ в кавитационном облаке гидродинамического кавитационного реактора, без исходного углеродного материала (например, графитового материала). Это достигается путем впрыска газа с задней стороны (например, выхода) кавитационного отверстия, где формируются кавитационные пузыри. Это является по существу аддитивным технологическим процессом, где существует образование и накопление нового углеродного материала. Тип, объем, размер и объем углеродного материала совместно определяются выбором растворителей, газа, время прогона, давления газа, потока жидкости и/или конфигурации отверстия. Реактор с подачей газа также может применяться с исходным графитовым материалом, чтобы сформировать дополнительные материалы или удалить физические дефекты из существующего графена. Процесс может также быть осуществлен с различными газами для функционализации графена, гексагонального бора или других углеродоподобных материалов. По сравнению с обычными процессами, способы, описанные в настоящем документе, могут занять минуты, или даже секунды, а не часы, являются низкозатратными, минимально используют нежелательные химикаты, используют меньше энергии и/или являются хорошо масштабируемыми.Included herein is a method for producing carbon materials in situ in the cavitation cloud of a hydrodynamic cavitation reactor, without starting carbon material (eg, graphite material). This is achieved by injecting gas from the rear side (eg outlet) of the cavitation hole where cavitation bubbles form. This is essentially an additive manufacturing process where there is the formation and accumulation of new carbon material. The type, volume, size, and volume of the carbon material are collectively determined by the choice of solvents, gas, run time, gas pressure, fluid flow, and/or orifice configuration. The gas-fed reactor can also be used with graphite starting material to form additional materials or remove physical defects from existing graphene. The process can also be carried out with various gases to functionalize graphene, hexagonal boron, or other carbon-like materials. Compared to conventional processes, the methods described herein can take minutes or even seconds rather than hours, are low cost, minimally use unwanted chemicals, use less energy, and/or are highly scalable.

Гидродинамические кавитационные реакторы создают кавитационное облако, которое является специальной окружающей средой для создания различных химических и физических реакций. Кавитационные облака возникают, когда возникает внезапное падение давления при прохождении жидкости под высоким давлением через ограничение, такое как отверстие. Кавитационные облака состоят из миллионов микропузырей, сформированных на выходе отверстия. Кавитационные пузыри проходят 3 стадии: 1) формирование пузыря, 2) очень быстрое сжатие пузыря, которое создает недолговечную локализованную горячую точку и 3) коллапс пузыря, который создает огромное количество энергии. Результаты эксперимента показали, что при коллапсе кавитационных пузырей, они дают внутренние температуры примерно 5000 K, давления примерно 14700 ф./кв.д., и скорости нагрева и скорости охлаждения выше 1010 K/с. Эти температуры и изменения давления длятся в течение менее нескольких наносекунд и происходят в миллионах местоположений в кавитационном облаке (см., например, Understanding Hydrodynamic Cavitation Report. Доступно из: https://www.researchgate.net/publication/314034417_Understanding_Hydrodynamic_Cavitation_Report; последний доступ 28 июня 2018). Эти интенсивные микрореакторные условия выполняются в условиях окружающей среды (соответствующих средним объемным температурам). В сравнении, получение такой среды с высокой температурой и высоким давлением в традиционном реакторе может быть очень дорогостоящим.Hydrodynamic cavitation reactors create a cavitation cloud, which is a special environment for creating various chemical and physical reactions. Cavitation clouds occur when there is a sudden drop in pressure as a high-pressure fluid passes through a restriction such as an orifice. Cavitation clouds are composed of millions of microbubbles formed at the outlet of the hole. Cavitation bubbles go through 3 stages: 1) bubble formation, 2) very rapid bubble contraction, which creates a short-lived localized hot spot, and 3) bubble collapse, which creates an enormous amount of energy. The results of the experiment showed that when the cavitation bubbles collapse, they give internal temperatures of about 5000 K, pressures of about 14700 psi, and heating and cooling rates above 1010 K/s. These temperature and pressure changes last for less than a few nanoseconds and occur at millions of locations in the cavitation cloud (see, for example, Understanding Hydrodynamic Cavitation Report. Available from: https://www.researchgate.net/publication/314034417_Understanding_Hydrodynamic_Cavitation_Report; last accessed 28 June 2018). These intensive microreactor conditions are carried out under ambient conditions (corresponding to average bulk temperatures). In comparison, producing such a high temperature, high pressure environment in a conventional reactor can be very costly.

Было обнаружено, что, когда углеродная жидкость, отдельно или в комбинации с определенным углеродным газом, подвергается гидродинамической кавитации или сдвигу или комбинации гидродинамической кавитации и сдвига, углеродные материалы (например, графеноподобные материалы) формируются in situ. Способ включает, inter alia, впрыск высокоуглеродистого газа в высокоуглеродистую жидкость чрезвычайно близко к месту, где формируются кавитационные пузыри, что происходит на задней стороне отверстия. Как используется в настоящем документе, «задняя сторона» отверстия соответствует точке выхода отверстия относительно жидкости, текущей через него, или, другими словами, соответствует стороне отверстия, выходящей в кавитационную камеру или границу раздела между ними.It has been found that when a carbon liquid, alone or in combination with a certain carbon gas, is subjected to hydrodynamic cavitation or shear, or a combination of hydrodynamic cavitation and shear, carbon materials (eg, graphene-like materials) form in situ . The method includes, inter alia , injecting the high carbon gas into the high carbon liquid extremely close to where the cavitation bubbles form, which occurs on the back side of the orifice. As used herein, the "back side" of the hole corresponds to the exit point of the hole relative to the liquid flowing through it, or, in other words, corresponds to the side of the hole that goes into the cavitation chamber or the interface between them.

Это также возможно, но с намного меньшим количеством образования углерода, впрыскивать газ до отверстия (например, в предкавитационной камере, на/близко к границе раздела между отверстием и предкавитационной камерой, и/или у входа отверстия в кавитационную камеру). Не желая быть связанным с какой-либо конкретной теорией, считается, что концентрация газа в месте, где образуются кавитационные пузыри, максимизирует дисперсию газа в кавитационном облаке, что, в свою очередь усиливает образование углеродного материала.It is also possible, but with much less carbon formation, to inject the gas upstream of the orifice (eg, in the pre-cavitation chamber, at/close to the interface between the orifice and the pre-cavitation chamber, and/or at the inlet of the orifice to the cavitation chamber). Without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the concentration of gas at the site where cavitation bubbles form maximizes the dispersion of gas in the cavitation cloud, which in turn enhances the formation of carbonaceous material.

Обычный способ введения газа в гидродинамический кавитационный реактор включает барботирование или впрыск газа до кавитационного отверстия, что создает захваченный (поглощенный или растворенный) газ. Было обнаружено, что традиционный способ введения газа до отверстия не задерживает адсорбированный газ. Прохождение жидкости через отверстие на самом деле удаляет газ из жидкости. Это доказано обычными гидродинамическими кавитационными реакторами, используемыми для дегазации жидкости.A common method of introducing gas into a hydrodynamic cavitation reactor involves sparging or injecting gas up to the cavitation opening, which creates entrapped (absorbed or dissolved) gas. It has been found that the conventional method of introducing gas up to the orifice does not trap the adsorbed gas. Passing a liquid through an orifice actually removes gas from the liquid. This has been proven by conventional hydrodynamic cavitation reactors used for liquid degassing.

Когда применяют традиционный способ барботирования ацетилена в этанол (т.е. перед кавитационным отверстием), формируется очень мало графеноподобного материала. Наоборот, когда газ впрыскивают непосредственно в кавитационное облако позади отверстия, формируется изобилие графена.When the traditional method of bubbling acetylene into ethanol is used (i.e. before the cavitation hole), very little graphene-like material is formed. Conversely, when the gas is injected directly into the cavitation cloud behind the hole, an abundance of graphene is formed.

Более того, так как углеродные материалы создаются in situ, возможно устранить двухстадийный процесс создания графенового порошка с последующим редиспергированием порошка в жидкости. Например, углеродные пластинки могут быть сформированы и сохранены в жидкости (например, минеральном масле или пропиленгликоле). Moreover, since carbon materials are created in situ , it is possible to eliminate the two-stage process of creating graphene powder with subsequent redispersion of the powder in a liquid. For example, carbon plates can be formed and stored in a liquid (eg, mineral oil or propylene glycol).

Проблема, связанная с редиспергированием графенового порошка, состоит в том, что трудно создать коллоидную дисперсию традиционными способами. Это вызвано тем, что сам акт получения порошка графена создает ван-дер-ваальсово связывание между графеновыми пластинами, что вызывает перекладывание графеновых пластинок. Редиспергирование порошка в другой жидкости обычно требует создания сдвига, обработки ультразвуком или гидродинамической кавитации. Даже тогда трудно получить наноподобные коллоидные дисперсии. В областях применения, где графен нельзя оставлять в жидкости, содержащей углерод, графеновый материал может быть восстановлен или фильтрацией, или центрифугированием.A problem associated with the redispersion of graphene powder is that it is difficult to create a colloidal dispersion by conventional methods. This is because the very act of obtaining graphene powder creates a van der Waals bond between the graphene plates, which causes the graphene plates to shift. Redispersing a powder in another liquid usually requires shearing, sonication, or hydrodynamic cavitation. Even then it is difficult to obtain nano-like colloidal dispersions. In applications where graphene cannot be left in a liquid containing carbon, the graphene material can be recovered either by filtration or centrifugation.

Изобретение далее проиллюстрировано следующими вариантам осуществления.The invention is further illustrated by the following embodiments.

(Вариант осуществления 1) Способ получения твердого углеродного материала, включающий: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение, в кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, получая углеродный материал в форме дисперсии, содержащей углеродный материал, диспергированный в жидкости.(Embodiment 1) A method for producing a solid carbon material, including: delivering a liquid containing at least one liquid organic compound to a cavitation reactor; formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor; and delivering a gas containing at least one gaseous organic compound to the cavitation zone of the cavitation reactor; thus, obtaining a carbon material in the form of a dispersion containing a carbon material dispersed in a liquid.

(Вариант осуществления 2) Способ по варианту осуществления 1, где кавитационным реактором является гидродинамический кавитационный реактор, реактор со сдвигом, ультразвуковой кавитационный реактор или многофункциональный реактор.(Embodiment 2) The method of Embodiment 1, wherein the cavitation reactor is a hydrodynamic cavitation reactor, a shear reactor, an ultrasonic cavitation reactor, or a multifunctional reactor.

(Вариант осуществления 3) Способ по варианту осуществления 2, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и сдвиг; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и сдвиг.(Embodiment 3) The method of Embodiment 2, wherein the cavitation reactor includes hydrodynamic cavitation and shear; or where the cavitation reactor includes ultrasonic cavitation and shear.

(Вариант осуществления 4) Способ по варианту осуществления 2, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и реактор типа ротор-статор; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и реактор типа ротор-статор.(Embodiment 4) The method of Embodiment 2, wherein the cavitation reactor includes hydrodynamic cavitation and a rotor-stator reactor; or where the cavitation reactor includes ultrasonic cavitation and a rotor-stator type reactor.

(Вариант осуществления 5) Способ по варианту осуществления 2, где кавитационный реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом, гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, реактор с мешалкой, обеспечивающий сдвиг или их комбинацию. (Embodiment 5) The method of Embodiment 2, wherein the cavitation reactor includes a rotor-stator reactor, a battery shear reactor, a high speed shear reactor, a hydrodynamic cavitation reactor, a sieve reactor, a rotary packed bed reactor, a rotary disk reactor, a colliding jets, an ultrasonic gas-solid reactor, an ultrasonic reactor, an ultrasonic probe reactor, a stirred shear reactor, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 6) Способ по любому из вариантов осуществления 1-5, где доставка газа включает захват газа, впрыск газ или их комбинацию.(Embodiment 6) The method of any one of embodiments 1-5, wherein the gas delivery comprises gas capture, gas injection, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 7) Способ по варианту осуществления 6, где газ захватывается в жидкости. (Embodiment 7) The method of Embodiment 6 wherein the gas is trapped in the liquid.

(Вариант осуществления 8) Способ по варианту осуществления 6, где газ впрыскивается в жидкость. (Embodiment 8) The method of Embodiment 6, wherein the gas is injected into the liquid.

(Вариант осуществления 9) Способ по варианту осуществления 8, где газ барботируется в жидкость.(Embodiment 9) The method of Embodiment 8 wherein a gas is bubbled into a liquid.

(Вариант осуществления 10) Способ по любому из вариантов осуществления 1-9, где газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа.(Embodiment 10) The method of any one of Embodiments 1 to 9, wherein the gas is delivered directly to the cavitation zone during the gas delivery step.

(Вариант осуществления 11) Способ по любому из вариантов осуществления 1-10, где стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно.(Embodiment 11) The method of any one of embodiments 1 to 10, wherein the steps of cavitation bubble formation and gas delivery are performed simultaneously or nearly simultaneously.

(Вариант осуществления 12) Способ по любому из вариантов осуществления 1-11, где во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, где область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования.(Embodiment 12) The method according to any one of embodiments 1 to 11, wherein during the gas delivery step, the gas is delivered directly to or within 1 mm of the cavitation bubble nucleation region, where the cavitation bubble nucleation region corresponds to the cavitation bubble nucleation in the hydrodynamic cavitation reaction during formation stage.

(Вариант осуществления 13) Способ по любому из вариантов осуществления 1-12, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутри или в 1 мм от кавитационного облака. (Embodiment 13) The method of any one of embodiments 1 to 12, wherein the forming step includes forming a cavitation cloud containing cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor, where the gas is delivered directly inside or 1 mm from the cavitation cloud.

(Вариант осуществления 14) Способ по любому из вариантов осуществления 1-13, где дисперсия сформирована в зоне кавитации реактора.(Embodiment 14) The method according to any one of Embodiments 1 to 13, wherein the dispersion is formed in the cavitation zone of the reactor.

(Вариант осуществления 15) Способ по любому из вариантов осуществления 1-14, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке.(Embodiment 15) The method according to any one of embodiments 1 to 14, wherein the forming step includes forming a cavitation cloud containing cavitation bubbles; where the carbon material is formed in the cavitation cloud.

(Вариант осуществления 16) Способ по любому из вариантов осуществления 1-15, где жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.(Embodiment 16) The method of any one of Embodiments 1 to 15, wherein the liquid is substantially free of carbon material during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles.

(Вариант осуществления 17) Способ по любому из вариантов осуществления 1-16, где жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.(Embodiment 17) The method of any one of Embodiments 1 to 16, wherein the liquid is substantially free of solid particles and is essentially no colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles.

(Вариант осуществления 18) Способ по любому из вариантов осуществления 1-17, где формирование углеродного материала происходит в течение 1 минуты после формирования кавитационных пузырей в жидкости.(Embodiment 18) The method of any one of Embodiments 1 to 17, wherein the formation of the carbon material occurs within 1 minute after the formation of cavitation bubbles in the liquid.

(Вариант осуществления 19) Способ по любому из вариантов осуществления 1-18, где нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты после нуклеации кавитационных пузырей в пределах 0,3 мм области нуклеации кавитационных пузырей, в то время как газ доставляют в зону кавитации.(Embodiment 19) The method of any one of Embodiments 1 to 18, wherein the nucleation of the carbon material occurs within 1 minute after the nucleation of the cavitation bubbles within 0.3 mm of the nucleation area of the cavitation bubbles while the gas is delivered to the cavitation zone.

(Вариант осуществления 20) Способ по любому из вариантов осуществления 1-19, где кавитационный реактор включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий зону предкавитаци и зону отверстия, где зона отверстия находится между зоной предкавитации и зоной кавитации; где зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое, что жидкость течет от зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие; где каждое из, по меньшей мере, одного отверстия характеризуется диаметром отверстия, который меньше, чем диаметр зоны предкавитации.(Embodiment 20) The method of any one of Embodiments 1 to 19, wherein the cavitation reactor includes a hydrodynamic cavitation reactor having a pre-cavitation zone and an orifice zone, where the orifice zone is between the pre-cavitation zone and the cavitation zone; where the hole zone includes at least one hole, such that the liquid flows from the pre-cavitation zone into the cavitation zone through at least one hole; where each of at least one hole is characterized by a hole diameter that is less than the diameter of the pre-cavitation zone.

(Вариант осуществления 21) Способ по варианту осуществления 20, где газ доставляют непосредственно к кавитационному концу, по меньшей мере, одного отверстия или в 1 мм от конца, по меньшей мере, одного отверстия; где кавитационный конец, по меньшей мере, одного отверстия является концом, по меньшей мере, одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора.(Embodiment 21) The method of Embodiment 20, wherein the gas is delivered directly to the cavitation end of at least one orifice or 1 mm from the end of at least one orifice; where the cavitation end of at least one hole is the end of at least one hole closest to the cavitation zone of the cavitation reactor.

(Вариант осуществления 22) Способ по любому из вариантов осуществления 1-21, дополнительно включающий стадию завершения доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается после стадии завершения.(Embodiment 22) The method of any one of Embodiments 1 to 21, further comprising the step of completing delivery of gas to the cavitation zone; where the dimensional characteristic of the carbon material increases after the completion stage.

(Вариант осуществления 23) Способ по варианту осуществления 22, дополнительно включающий сохранение дисперсии в зоне кавитации в течение времени, меньше или равного 60 минутам после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается во время стадии сохранения.(Embodiment 23) The method of Embodiment 22, further comprising maintaining the dispersion in the cavitation zone for a time less than or equal to 60 minutes after the completion step and no gas is delivered to the cavitation zone; where the dimensional characteristic of the carbon material increases during the conservation stage.

(Вариант осуществления 24) Способ по варианту осуществления 23, где, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации, способ дополнительно включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней.(Embodiment 24) The method of Embodiment 23 wherein, during the step of maintaining the dispersion in the cavitation zone and after the completion step and in the absence of gas being delivered to the cavitation zone, the method further includes the step of degassing the dispersion to reduce the concentration of gas trapped therein.

(Вариант осуществления 25) Способ по любому из вариантов осуществления 22-24, где концентрация углеродного материала в дисперсии является по существу постоянной после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации. (Embodiment 25) The method of any one of Embodiments 22-24, wherein the concentration of carbon material in the dispersion is substantially constant after the completion step and in the absence of gas delivery to the cavitation zone.

(Вариант осуществления 26) Способ по любому из вариантов осуществления 1-25, дополнительно включающий восстановление твердого углеродного материала из дисперсии в твердой или порошковой форме, где стадия восстановления включает фильтрацию, вакуумную фильтрацию, выпаривание растворителя, центрифугирование или любую их комбинацию.(Embodiment 26) The method of any one of Embodiments 1-25, further comprising recovering the solid carbon material from a dispersion in solid or powder form, wherein the recovery step comprises filtration, vacuum filtration, solvent evaporation, centrifugation, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 27) Способ по любому из вариантов осуществления 1-26, где концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости выбрана из диапазона от 1% масс. до 100% масс.(Embodiment 27) The method according to any one of embodiments 1-26, wherein the concentration of at least one liquid organic compound in the liquid is selected from a range of 1 wt. up to 100% wt.

(Вариант осуществления 28) Способ по варианту осуществления 27, где концентрация твердого углеродного материала в дисперсии составляет от 0,0025% масс. до 7% масс.(Embodiment 28) The method of Embodiment 27, wherein the concentration of solid carbon material in the dispersion is from 0.0025 wt. up to 7% wt.

(Вариант осуществления 29) Способ по любому из вариантов осуществления 1-28, где, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации.(Embodiment 29) The method of any one of Embodiments 1-28, wherein at least one liquid organic compound is selected from the group consisting of a monomer, an oligomer, a prepolymer, a polymer, an organic solvent, and any combination thereof.

(Вариант осуществления 30) Способ по любому из вариантов осуществления 1-29, где, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, машинного масла MOBILE 1™, машинного масла Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок (например, высокоуглеродистого масла), керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации.(Embodiment 30) The method of any one of Embodiments 1 to 29, wherein at least one liquid organic compound is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, methylpyrrolidone, d-cyclopentadiene, hexane, benzene, toluene, heptane, xylene, DMSO, mineral oil, machine oil, MOBILE 1™ machine oil, Syn 530 machine oil, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530 machine oil, base oil, hydrogenated castor oil, gear oil, gear oil, vegetable oil, hydrocarbon drilling fluid bases, oils with additives, oils without additives (for example, high-carbon oil), kerosene, diesel fuel, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylamine, trimethylamine, pentane, cyclopentane, cyclohexane, 1,4-dioxane, chloroform, diethyl ether, dichloromethane, tetrahydrofuran, ethyl acetate, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, nitromethane, propylene carbonate, formic acid lots, butanol, propanol, acetic acid, octadecene, oleic acid, oleylamine, octane, diethylene glycol ether, 1,2-dichlorobenzene, methyl acetate, tetrachlorethylene, diphenylthiourea, hexafluoro-2-propanol, cinnamic acid, trimethylamine, benzenethiol, ethanethiol, ethanedithiol, 4-aminobenzenethiol, acrylic acid, carbon disulfide, 1,2-dichlorobenzene, N-methyl-2-pyrrolidone, and any combination thereof.

(Вариант осуществления 31) Способ по любому из вариантов осуществления 1-30, где газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их композиции. (Embodiment 31) The method of any one of Embodiments 1 to 30, wherein the gaseous organic compound is selected from the group consisting of methane, acetylene, ethylene, propane, 1,3-butadiene, butane, and any composition thereof.

(Вариант осуществления 32) Способ по любому из вариантов осуществления 1-31, где жидкость характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.(Embodiment 32) The method of any one of Embodiments 1 to 31, wherein the liquid has a bulk temperature of less than 400°C.

(Вариант осуществления 33) Способ по любому из вариантов осуществления 1-32, где газ характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.(Embodiment 33) The method of any one of Embodiments 1 to 32, wherein the gas has a bulk temperature of less than 400°C.

(Вариант осуществления 34) Способ по любому из вариантов осуществления 1-33, где жидкость характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 5 л/мин до 200 л/мин в зоне кавитации кавитационного реактора.(Embodiment 34) The method of any one of Embodiments 1 to 33, wherein the liquid has a flow rate selected from a range of 5 L/min to 200 L/min in the cavitation zone of the cavitation reactor.

(Вариант осуществления 35) Способ по любому из вариантов осуществления 1-34, где газ впрыскивается под давлением, характеризуемым давлением, выбранным из диапазона от 2 ф./кв.д. до 150 ф./кв.д. в зоне кавитации кавитационного реактора. (Embodiment 35) The method of any one of Embodiments 1-34, wherein the gas is injected at a pressure characterized by a pressure selected from a range of 2 psi. up to 150 psi in the cavitation zone of the cavitation reactor.

(Вариант осуществления 36) Способ по любому из вариантов осуществления 1-35, где давление в зоне кавитации выбрано из диапазона от 10 ф./кв.д. до 5000 ф./кв.д. (Embodiment 36) The method of any one of Embodiments 1-35, wherein the pressure in the cavitation zone is selected from the range of 10 psi to 10 psi. up to 5000 psi

(Вариант осуществления 37) Способ по любому из вариантов осуществления 1-36, где кавитационный реактор включает ротор-статор и где ротор-статор работает со скоростью вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин в зоне кавитации кавитационного реактора. (Embodiment 37) The method of any of Embodiments 1 to 36, wherein the cavitation reactor includes a rotor-stator, and wherein the rotor-stator operates at a rotation speed selected from a range of 200 rpm to 14,000 rpm in a cavitation zone of the cavitation reactor .

(Вариант осуществления 38) Способ по любому из вариантов осуществления 1-37, где время пребывания жидкости в кавитационном реакторе выбрано из диапазона от 0,05 до 20 секунд.(Embodiment 38) The method of any one of Embodiments 1 to 37, wherein the residence time of the liquid in the cavitation reactor is selected from the range of 0.05 to 20 seconds.

(Вариант осуществления 40) Способ по любому из вариантов осуществления 1-38, где способ выполняется в течение времени, выбранного из диапазона 1-60 минут. (Embodiment 40) The method of any one of Embodiments 1-38, wherein the method is performed for a time selected from the range of 1-60 minutes.

(Вариант осуществления 41) Способ по любому из вариантов осуществления 1-39, где кавитационный реактор включает ультразвуковой реактор, и где ультразвуковой реактор работает при частоте обработки ультразвуком 20-300 кГц и амплитудном диапазоне 10-100%.(Embodiment 41) The method of any one of Embodiments 1-39, wherein the cavitation reactor includes an ultrasonic reactor, and wherein the ultrasonic reactor is operated at a sonication frequency of 20-300 kHz and an amplitude range of 10-100%.

(Вариант осуществления 42) Способ по любому из вариантов осуществления 1-40, где углеродный материал не получают, если способ выполняется без стадии доставки газа при в другом эквивалентных стадиях и условиях.(Embodiment 42) The method of any one of Embodiments 1 to 40, wherein no carbon material is produced if the method is performed without a gas delivery step under otherwise equivalent steps and conditions.

(Вариант осуществления 43) Способ по любому из вариантов осуществления 1-41, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -160 мВ.(Embodiment 43) The method of any one of Embodiments 1 to 41, wherein the dispersion or the carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +40 mV or less than -160 mV.

(Вариант осуществления 44) Способ по любому из вариантов осуществления 1-42, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ. (Embodiment 44) The method of any one of Embodiments 1 to 42, wherein the dispersion or the carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +40 mV or less than -40 mV.

(Вариант осуществления 45) Способ по любому из вариантов осуществления 1-43, где концентрация углерода (атомная концентрация) в твердом углеродном материале в дисперсии выбрана из диапазона 92-99% масс.(Embodiment 45) The method according to any one of Embodiments 1-43, wherein the carbon concentration (atomic concentration) in the solid carbon material in the dispersion is selected from the range of 92-99 wt%.

(Вариант осуществления 45) Способ по любому из вариантов осуществления 1-44, где дисперсия является коллоидом, суспензией или их комбинацией.(Embodiment 45) The method of any one of Embodiments 1-44, wherein the dispersion is a colloid, a suspension, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 46) Способ по любому из вариантов осуществления 1-45, где углеродный материал содержит графен, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен или любую их комбинацию.(Embodiment 46) The method of any one of Embodiments 1-45, wherein the carbon material comprises graphene, carbon nanotubes, carbon onions, another carbon allotrope, a composite containing graphene, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 47) Способ по варианту осуществления 46, где соединение включает серу и графен или включает гексагональный нитрид бора и графен.(Embodiment 47) The method of Embodiment 46, wherein the compound includes sulfur and graphene, or includes hexagonal boron nitride and graphene.

(Вариант осуществления 48) Способ по любому из вариантов осуществления 1-47, где углеродный материал содержит графен.(Embodiment 48) The method of any one of Embodiments 1 to 47, wherein the carbon material comprises graphene.

(Вариант осуществления 49) Способ по варианту осуществления 48, где углеродный материал является графеном.(Embodiment 49) The method of Embodiment 48, wherein the carbon material is graphene.

(Вариант осуществления 50) Способ по любому из вариантов осуществления 1-49, где углеродный материал содержит нанокомпозит графенового полимера.(Embodiment 50) The method of any one of Embodiments 1 to 49, wherein the carbon material comprises a graphene polymer nanocomposite.

(Вариант осуществления 51) Способ по любому из вариантов осуществления 46-50, где графеном является морщинистый графен, раскрошенный графен, графен с отверстиями или любая их комбинация.(Embodiment 51) The method of any one of embodiments 46-50, wherein the graphene is wrinkled graphene, crumbled graphene, holed graphene, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 52) Способ по любому из вариантов осуществления 1-51, где углеродный материал характеризуется содержанием кислорода 7% атом. или меньше.(Embodiment 52) The method of any one of Embodiments 1 to 51, wherein the carbon material has an oxygen content of 7 atom%. or less.

(Вариант осуществления 53) Способ по любому из вариантов осуществления 1-52, дополнительно включающий использование углеродного материала или дисперсии для уменьшения трения.(Embodiment 53) The method of any one of Embodiments 1 to 52, further comprising using a carbon material or dispersion to reduce friction.

(Вариант осуществления 54) Способ по варианту осуществления 53, где дисперсия уменьшает коэффициент трения, по меньшей мере, на 5%.(Embodiment 54) The method of Embodiment 53, wherein the dispersion reduces the coefficient of friction by at least 5%.

(Вариант осуществления 55) Способ по варианту осуществления 53 или 54, где дисперсию используют для уменьшения трения, не убирая или изолируя углеродный материал из дисперсии.(Embodiment 55) The method of Embodiment 53 or 54 wherein the dispersion is used to reduce friction without removing or isolating the carbon material from the dispersion.

(Вариант осуществления 56) Способ по любому из вариантов осуществления 1-55, дополнительно включающий использование твердого углеродного материала или дисперсии для усиления анода батареи и/или катода батареи.(Embodiment 56) The method of any one of Embodiments 1 to 55, further comprising using a hard carbon material or dispersion to reinforce a battery anode and/or a battery cathode.

(Вариант осуществления 57) Способ по любому из вариантов осуществления 1-56, дополнительно включающий функционализацию углеродного материала для получения функционализированного углеродного материала.(Embodiment 57) The method of any one of Embodiments 1 to 56, further comprising functionalizing the carbon material to obtain a functionalized carbon material.

(Вариант осуществления 58) Способ по любому из вариантов осуществления 1-57, где дисперсия является первой дисперсией, углеродный материал, является материалом предшественником, и кавитационный реактор является первым кавитационным реактором; где способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне кавитации второго кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации второго кавитационного реактора; таким образом, превращая материал предшественник во второй углеродный материал, при этом второй углеродный материал в форме второй дисперсии включает второй углеродный материал, диспергированный в жидкости; где материал предшественник и второй углеродный материал отличаются.(Embodiment 58) The method of any one of Embodiments 1 to 57, wherein the dispersion is the first dispersion, the carbon material is the precursor material, and the cavitation reactor is the first cavitation reactor; where the method further includes: delivering the first dispersion to the second cavitation reactor; formation of cavitation bubbles in the first dispersion in the cavitation zone of the second cavitation reactor; and delivering a gas containing at least one gaseous organic compound directly to the cavitation zone of the second cavitation reactor; thereby converting the precursor material into a second carbon material, wherein the second carbon material in the form of a second dispersion comprises a second carbon material dispersed in a liquid; where the precursor material and the second carbon material are different.

(Вариант осуществления 59) Способ по варианту осуществления 58, где первый гидродинамический кавитационный реактор и второй гидродинамический кавитационный реактор являются одинаковыми.(Embodiment 59) The method of Embodiment 58, wherein the first hydrodynamic cavitation reactor and the second hydrodynamic cavitation reactor are the same.

(Вариант осуществления 60) Способ функционализации материала, диспергированного в жидкости, где материал диспергирован в жидкости, являющейся первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в кавитационный реактор; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставки газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, функционализируя материал для формирования второй дисперсии, где вторая дисперсия содержит функционализированный материал, диспергированный в жидкости.(Embodiment 60) A method for functionalizing a material dispersed in a liquid, wherein the material is dispersed in a liquid being a first dispersion, wherein the method includes the steps of: delivering the first dispersion to a cavitation reactor; where the liquid contains at least one liquid organic compound; formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor; and delivering a gas containing at least one gaseous organic compound directly to the cavitation zone of the cavitation reactor; thus functionalizing the material to form a second dispersion, wherein the second dispersion contains the functionalized material dispersed in a liquid.

(Вариант осуществления 61) Способ по варианту осуществления 60, где функционализация материала включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию материала.(Embodiment 61) The method of Embodiment 60, wherein the functionalization of the material includes chemical, physical, or both chemical and physical functionalization of the material.

(Вариант осуществления 62), Способ по варианту осуществления 60 или варианту осуществления 61, где материал содержит графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен, или любую их комбинацию.(Embodiment 62), The method of Embodiment 60 or Embodiment 61, wherein the material comprises graphite, expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon nanotubes, carbon onions, another carbon allotrope, graphene-containing composite, cationic graphene, or any combination of them.

(Вариант осуществления 63) Способ по любому из вариантов осуществления 60-62, где функционализированный материал содержит оксид графена.(Embodiment 63) The method of any one of Embodiments 60-62, wherein the functionalized material comprises graphene oxide.

(Вариант осуществления 64) Способ по любому из вариантов осуществления 60-63, где функционализация включает добавление атомов кислорода к материалу, удаление атомов кислорода из материала, добавление атомов азота к материалу, добавление атомов серы к материалу или их комбинацию.(Embodiment 64) The method of any one of embodiments 60-63, wherein the functionalization comprises adding oxygen atoms to the material, removing oxygen atoms from the material, adding nitrogen atoms to the material, adding sulfur atoms to the material, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 65) Способ по любому из вариантов осуществления 60-64, где газ включает кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO2, или любую их комбинацию. (Embodiment 65) The method of any of embodiments 60-64, wherein the gas comprises oxygen, steam, hydrogen, nitrogen, sulfur dioxide, CO 2 , or any combination thereof.

(Вариант осуществления 66) Функционализированный материал, полученный способом по любому из вариантов осуществления 60-65.(Embodiment 66) A functionalized material obtained by the method of any one of Embodiments 60-65.

Изобретение далее проиллюстрировано следующими дополнительными вариантами осуществления:The invention is further illustrated by the following additional embodiments:

(Вариант осуществления 101) Способ получения твердого углеродного материала, включающий: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, в зону реакции реактора; и индуцирование химической реакции, по меньшей мере, между одним жидким органическим соединением и, по меньшей мере, одним газообразным органическим соединением, где: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; твердый углеродный материал получен через реакцию; твердый углеродный материал получен во время реакции в форме дисперсии, включающей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; и химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора.(Embodiment 101) A method for producing a solid carbon material, including: delivering a liquid containing at least one liquid organic compound to a reaction zone of a reactor; delivering a gas containing at least one gaseous organic compound to the reaction zone of the reactor; and inducing a chemical reaction between at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound, where: the chemical reaction occurs in the reaction zone of the reactor; solid carbon material obtained through a reaction; the solid carbon material is obtained during the reaction in the form of a dispersion comprising the solid carbon material dispersed in a liquid; and the chemical reaction is a homogeneous reaction involving homogeneous nucleation of solid carbon material in the reaction zone of the reactor.

(Вариант осуществления 102) Способ по варианту осуществления 101, где химическая реакция включает газожидкостный массообмен.(Embodiment 102) The method of Embodiment 101, wherein the chemical reaction comprises gas-liquid mass transfer.

(Вариант осуществления 103) Способ по любому из вариантов осуществления 101-102, где состав газа отличается от состава жидкости.(Embodiment 103) The method of any one of embodiments 101-102, wherein the gas composition is different from the liquid composition.

(Вариант осуществления 104) Способ по любому из вариантов осуществления 101-103, где состав по меньшей мере, одного газообразного комплекса отличается от состава по меньшей мере, одного жидкого органического соединения.(Embodiment 104) The method of any one of embodiments 101-103, wherein the composition of at least one gaseous complex is different from that of at least one liquid organic compound.

(Вариант осуществления 105) Способ по любому из вариантов осуществления 101-104, где химическая реакция не происходит на или в катализаторе.(Embodiment 105) The method of any one of embodiments 101-104, wherein the chemical reaction does not occur on or in the catalyst.

(Вариант осуществления 106) Способ по любому из вариантов осуществления 101-105, где способ не включает гетерогенную нуклеацию кристалла твердого углеродного материала на твердой подложке. (Embodiment 106) The method of any one of embodiments 101-105, wherein the method does not include heterogeneous nucleation of a solid carbon material crystal on a solid support.

(Вариант осуществления 107) Способ по любому из вариантов осуществления 101-106, где стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции, и стадия доставки газа, выполняется через второй входной поток в зону реакции; где пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными.(Embodiment 107) The method of any one of embodiments 101-106, wherein the step of delivering liquid is performed via the first inlet to the reaction zone, and the step of delivering gas is performed via the second inlet to the reaction zone; where the paths of the first stream and the second input stream are different and are physically separate.

(Вариант осуществления 108) Способ по любому из вариантов осуществления 101-107, где стадия доставки жидкости и стадия доставки газа выполняются одновременно. (Embodiment 108) The method of any one of embodiments 101-107, wherein the liquid delivery step and the gas delivery step are performed simultaneously.

(Вариант осуществления 109), Способ по любому из вариантов осуществления 101-107, где стадия доставки газа выполняется после доставки жидкости в зону реакции.(Embodiment 109) The method of any one of embodiments 101-107, wherein the gas delivery step is performed after the liquid is delivered to the reaction zone.

(Вариант осуществления 110) Способ по любому из вариантов осуществления 101-109, где твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время нахождения в зоне реакции.(Embodiment 110) The method of any one of embodiments 101-109 wherein the solid carbon material remains dispersed in the liquid while in the reaction zone.

(Вариант осуществления 111) Способ по любому из вариантов осуществления 101-110, где жидкость по существу не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.(Embodiment 111) The method of any one of embodiments 101-110, wherein the liquid is substantially free of solid carbon material during the liquid delivery step and up to the gas delivery and chemical reaction induction steps.

(Вариант осуществления 112) Способ по любому из вариантов осуществления 101-111, где жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.(Embodiment 112) The method of any one of embodiments 101-111, wherein the liquid is substantially free of solid particles and substantially free of colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and up to the gas delivery and chemical reaction induction steps.

(Вариант осуществления 113) Способ по любому из вариантов осуществления 101-112, где твердый углеродный материал сформирован только в зоне реакции реактора.(Embodiment 113) The method of any one of embodiments 101-112, wherein the solid carbon material is only formed in the reaction zone of the reactor.

(Вариант осуществления 114) Способ по любому из вариантов осуществления 101-113, где твердый углеродный материал не получают, когда способ выполняется без стадии осуществления доставки газа при в другом эквивалентных стадиях и условиях.(Embodiment 114) The method of any one of embodiments 101-113, wherein no solid carbon material is produced when the method is performed without the step of performing gas delivery under other equivalent steps and conditions.

(Вариант осуществления 115) Способ по любому из вариантов осуществления 101-114, где доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию.(Embodiment 115) The method of any one of embodiments 101-114, wherein the gas delivery comprises gas capture, gas injection, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 116) Способ по варианту осуществления 115, где газ захватывается в жидкости под давлением. (Embodiment 116) The method of Embodiment 115 wherein the gas is entrained in a liquid under pressure.

(Вариант осуществления 117) Способ по варианту осуществления 115, где газ впрыскивается в жидкость.(Embodiment 117) The method of Embodiment 115, wherein the gas is injected into the liquid.

(Вариант осуществления 118) Способ по варианту осуществления 115, где газ барботируется в жидкость.(Embodiment 118) The method of Embodiment 115 wherein the gas is bubbled into the liquid.

(Вариант осуществления 119) Способ по любому из вариантов осуществления 101-18, где газ доставляют непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа.(Embodiment 119) The method of any one of Embodiments 101-18, wherein the gas is delivered directly to the reaction zone during the gas delivery step.

(Вариант осуществления 120) Способ по любому из вариантов осуществления 101-119, где стадии доставки газа и индуцирования химической реакции выполняются одновременно или почти одновременно.(Embodiment 120) The method of any one of embodiments 101-119, wherein the steps of delivering the gas and inducing a chemical reaction are performed simultaneously or nearly simultaneously.

(Вариант осуществления 121) Способ по любому из вариантов осуществления 101-120, где по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение и, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение одновременно присутствуют в зоне реакции. (Embodiment 121) The method of any one of embodiments 101-120, wherein at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound are simultaneously present in the reaction zone.

(Вариант осуществления 122) Способ по любому из вариантов осуществления 101-121, где реактор включает реактор с механическим перемешиванием, турбинный реактор, монолитный реактор, пенный реактор, реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700), гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, трубчатый вращающийся реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся реактор типа гармошки, реактор с псевдоожиженным слоем, реактор Тейлора-Куетта, двухтрубный реактор, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, микроволновый реактор, реактор ударной волны (например, SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR)), реактор с непрерывным потоком (например, RAPTOR™ реактор), реактор с мешалкой, обеспечивающей сдвиг или их комбинацию.(Embodiment 122) The method of any one of embodiments 101-121, wherein the reactor includes a mechanically stirred reactor, a turbine reactor, a monolithic reactor, a foam reactor, a rotor-stator reactor, a shear stack reactor, a high-speed shear reactor (e.g., Charles Ross HSM-700), Hydrodynamic Cavitation Reactor, Sieve Reactor, Tubular Rotary Reactor, Packed Bed Rotary Reactor, Accordion Type Rotary Reactor, Fluidized Bed Reactor, Taylor-Couette Reactor, Double Tube Reactor, Rotary Disk Reactor, Colliding Jet Reactor , ultrasonic gas-solid reactor, ultrasonic reactor, ultrasonic probe reactor, microwave reactor, shock wave reactor (e.g. SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR)), continuous flow reactor (e.g. RAPTOR™ reactor), stirred reactor , providing a shift or a combination of them.

(Вариант осуществления 123) Способ по любому из вариантов осуществления 101-122, где стадия индуцирования химической реакции включает индуцирование силы сдвига в жидкости.(Embodiment 123) The method of any one of embodiments 101-122, wherein the step of inducing a chemical reaction comprises inducing a shear force in the fluid.

(Вариант осуществления 124) Способ по варианту осуществления 123, где реактор является реактором с механическим перемешиванием, включающим мешалку; и где мешалка вызывает силу сдвига в жидкости. (Embodiment 124) The method of Embodiment 123, wherein the reactor is a mechanically stirred reactor including a stirrer; and where the agitator induces a shear force in the fluid.

(Вариант осуществления 125) Способ по варианту осуществления 124, где мешалка выбрана из группы, состоящей из газ-индуцирующей мешалки, мешалки/турбины Rushton, монолитной мешалки, спиральной мешалки, мешалки с пластинчатыми или радиальными плоскими лопастями, аксионного пропеллера, угловых лопастей, турбинной вихревой мешалки, нескольких мешалок на одном стержне и любой их комбинации.(Embodiment 125) The method of Embodiment 124, wherein the agitator is selected from the group consisting of a gas-inducing agitator, a Rushton agitator/turbine, a monolithic agitator, a helical agitator, a plate or radial flat impeller, an axial propeller, an angled blade, a turbine vortex mixer, several mixers on one rod and any combination thereof.

(Вариант осуществления 126) Способ по варианту осуществления 125, где мешалкой является газ-индуцирующая мешалка.(Embodiment 126) The method of Embodiment 125, wherein the agitator is a gas-inducing agitator.

(Вариант осуществления 127) Способ по любому из вариантов осуществления 124-126, где мешалка характеризуется скоростью вращения, выбранной из диапазона 200-14000 об/мин.(Embodiment 127) The method of any one of embodiments 124-126, wherein the agitator has a rotation speed selected from the range of 200-14000 rpm.

(Вариант осуществления 128) Способ по любому из вариантов осуществления 124-127, где стадия индуцирования химической реакции включает перемешивание или смешивание жидкости и газа в зоне реакции. (Embodiment 128) The method of any one of embodiments 124-127, wherein the step of inducing a chemical reaction comprises stirring or mixing a liquid and a gas in the reaction zone.

(Вариант осуществления 129) Способ по любому из вариантов осуществления 123-128, где давление в зоне реактора выбрано из диапазона от 6 бар (примерно 87 ф./кв.д.) до 150 бар (примерно 2175 ф./кв.д.).(Embodiment 129) The method of any one of Embodiments 123-128, wherein the pressure in the reactor zone is selected from the range of 6 bar (about 87 psi) to 150 bar (about 2175 psi). ).

(Вариант осуществления 130) Способ по любому из вариантов осуществления 123-129, где температура в зоне реакции выбрана из диапазона от 20°C до 250°C.(Embodiment 130) The method of any one of Embodiments 123-129, wherein the temperature in the reaction zone is selected from the range of 20°C to 250°C.

(Вариант осуществления 131) Способ по любому из вариантов осуществления 101-122, где: реактор является кавитационным реактором; реакционная зона является кавитационной зоной кавитационного реактора; и способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора.(Embodiment 131) The method of any one of embodiments 101-122, wherein: the reactor is a cavitation reactor; the reaction zone is the cavitation zone of the cavitation reactor; and the method includes forming cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor.

(Вариант осуществления 132) Способ по варианту осуществления 131, где кавитационный реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, реактором со сдвигом, ультразвуковым кавитационным реактором или многофункциональным реактором. (Embodiment 132) The method of Embodiment 131, wherein the cavitation reactor is a hydrodynamic cavitation reactor, a shear reactor, an ultrasonic cavitation reactor, or a multifunctional reactor.

(Вариант осуществления 133) Способ по варианту осуществления 132, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и сдвиг; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и сдвиг.(Embodiment 133) The method of Embodiment 132, wherein the cavitation reactor includes hydrodynamic cavitation and shear; or where the cavitation reactor includes ultrasonic cavitation and shear.

(Вариант осуществления 134) Способ по варианту осуществления 132, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и реактор типа ротор-статор; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и реактор типа ротор-статор.(Embodiment 134) The method of Embodiment 132, wherein the cavitation reactor includes hydrodynamic cavitation and a rotor-stator reactor; or where the cavitation reactor includes ultrasonic cavitation and a rotor-stator type reactor.

(Вариант осуществления 135) Способ по варианту осуществления 132, где кавитационный реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом, гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, микроволновый реактор, реактор с ударной волной, реактор с мешалкой, обеспечивающей сдвиг или их комбинацию. (Embodiment 135) The method of Embodiment 132, wherein the cavitation reactor includes a rotor-stator reactor, a shear stack reactor, a high speed shear reactor, a hydrodynamic cavitation reactor, a sieve reactor, a rotary packed bed reactor, a rotary disk reactor, a colliding jets, an ultrasonic gas-solid reactor, an ultrasonic reactor, an ultrasonic probe reactor, a microwave reactor, a shock wave reactor, a stirred shear reactor, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 136) Способ по любому из вариантов осуществления 131-135, где газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа.(Embodiment 136) The method of any one of embodiments 131-135, wherein the gas is delivered directly to the cavitation zone during the gas delivery step.

(Вариант осуществления 137) Способ по любому из вариантов осуществления 131-136, где стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно.(Embodiment 137) The method of any one of embodiments 131-136, wherein the steps of cavitation bubble formation and gas delivery are performed simultaneously or nearly simultaneously.

(Вариант осуществления 138) Способ по любому из вариантов осуществления 131-137, где во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, где область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования.(Embodiment 138) The method of any one of embodiments 131-137, wherein during the gas delivery step, the gas is delivered directly to or within 1 mm of the cavitation bubble nucleation region, where the cavitation bubble nucleation region corresponds to the cavitation bubble nucleation in the hydrodynamic cavitation reaction during formation stage.

(Вариант осуществления 139) Способ по любому из вариантов осуществления 131-138, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутри или в 1 мм от кавитационного облака. (Embodiment 139) The method of any one of embodiments 131-138, wherein the forming step includes forming a cavitation cloud including cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor, where the gas is delivered directly inside or 1 mm from the cavitation cloud.

(Вариант осуществления 140) Способ по любому из вариантов осуществления 131-139, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке.(Embodiment 140) The method of any one of embodiments 131-139, wherein the forming step includes forming a cavitation cloud including cavitation bubbles; where the carbon material is formed in the cavitation cloud.

(Вариант осуществления 141) Способ по любому из вариантов осуществления 131-140, где жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.(Embodiment 141) The method of any one of embodiments 131-140, wherein the liquid is substantially free of carbon material during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles.

(Вариант осуществления 142) Способ по любому из вариантов осуществления 131-141, где жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.(Embodiment 142) The method of any one of embodiments 131-141, wherein the liquid is substantially free of solid particles and is substantially free of colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles.

(Вариант осуществления 143) Способ по любому из вариантов осуществления 131-142, где формирование углеродного материала происходит в течение 1 минуты после формирования кавитационных пузырей в жидкости.(Embodiment 143) The method of any one of embodiments 131-142, wherein the formation of the carbon material occurs within 1 minute after the formation of cavitation bubbles in the liquid.

(Вариант осуществления 145) Способ по любому из вариантов осуществления 131-143, где нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты после нуклеации кристалла кавитационных пузырей в пределах 0,3 мм области нуклеации кавитационных пузырей, в то время как газ доставляют в зону кавитации.(Embodiment 145) The method of any one of embodiments 131-143, wherein the nucleation of the carbon material occurs within 1 minute after the nucleation of the cavitation bubble crystal within 0.3 mm of the cavitation bubble nucleation area while the gas is delivered to the cavitation zone.

(Вариант осуществления 146) Способ по любому из вариантов осуществления 131-144, где кавитационный реактор включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий зону предкавитаци и зону отверстия, где зона отверстия находится между зоной предкавитации и зоной кавитации; зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое, что жидкость течет от зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие; где каждое из, по меньшей мере, одного отверстия характеризуется диаметром отверстия, который меньше, чем диаметр зоны предкавитации. (Embodiment 146) The method of any one of embodiments 131-144, wherein the cavitation reactor includes a hydrodynamic cavitation reactor having a pre-cavitation zone and an orifice zone, where the orifice zone is between the pre-cavitation zone and the cavitation zone; the hole zone includes at least one hole, such that liquid flows from the pre-cavitation zone into the cavitation zone through at least one hole; where each of at least one hole is characterized by a hole diameter that is less than the diameter of the pre-cavitation zone.

(Вариант осуществления 146) Способ по варианту осуществления 145, где газ доставляют непосредственно к кавитационному концу, по меньшей мере, одного отверстия или в 1 мм от конца, по меньшей мере, одного отверстия; где кавитационный конец, по меньшей мере, одного отверстия, является концом, по меньшей мере, одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора.(Embodiment 146) The method of Embodiment 145, wherein the gas is delivered directly to the cavitation end of at least one orifice or 1 mm from the end of at least one orifice; where the cavitation end of at least one hole is the end of at least one hole closest to the cavitation zone of the cavitation reactor.

(Вариант осуществления 147) Способ по любому из вариантов осуществления 131-146, дополнительно включающий стадию завершения доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается после стадии завершения.(Embodiment 147) The method of any one of embodiments 131-146, further comprising the step of completing delivery of gas to the cavitation zone; where the dimensional characteristic of the carbon material increases after the completion stage.

(Вариант осуществления 148) Способ по варианту осуществления 147, дополнительно включающий сохранение дисперсии в зоне кавитации в течение времени меньше чем или равном 60 минутам после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается во время стадии сохранения.(Embodiment 148) The method of Embodiment 147, further comprising maintaining the dispersion in the cavitation zone for a time less than or equal to 60 minutes after the completion step and no gas being delivered to the cavitation zone; where the dimensional characteristic of the carbon material increases during the conservation stage.

(Вариант осуществления 149) Способ по варианту осуществления 148, где, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации, способ дополнительно включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней.(Embodiment 149) The method of Embodiment 148, wherein, during the step of maintaining the dispersion in the cavitation zone and after the completion step and in the absence of gas delivery to the cavitation zone, the method further includes the step of degassing the dispersion to reduce the concentration of gas trapped therein.

(Вариант осуществления 150) Способ по любому из вариантов осуществления 147-149, где концентрация углеродного материала в дисперсии является по существу постоянной после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации. (Embodiment 150) The method of any one of embodiments 147-149, wherein the concentration of carbon material in the dispersion is substantially constant after the completion step and in the absence of gas delivery to the cavitation zone.

(Вариант осуществления 151) Способ по любому из вариантов осуществления 101-50, далее включающий восстановление твердого углеродного материала из дисперсии в твердой или порошковой форме, где стадия восстановления включает фильтрацию, вакуумную фильтрацию, выпаривание растворителя, центрифугирование или любую их комбинацию.(Embodiment 151) The method of any one of embodiments 101-50, further comprising recovering the solid carbon material from a dispersion in solid or powder form, wherein the recovery step includes filtration, vacuum filtration, solvent evaporation, centrifugation, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 152) Способ по любому из вариантов осуществления 101-121, где концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости выбрана из диапазона от 0,01% масс. до 100% масс.(Embodiment 152) The method of any one of embodiments 101-121, wherein the concentration of at least one liquid organic compound in the liquid is selected from a range of 0.01 wt. up to 100% wt.

(Вариант осуществления 153) Способ по любому из вариантов осуществления 101-152, где, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации.(Embodiment 153) The method of any one of embodiments 101-152, wherein at least one liquid organic compound is selected from the group consisting of a monomer, an oligomer, a prepolymer, a polymer, an organic solvent, and any combination thereof.

(Вариант осуществления 154) Способ по любому из вариантов осуществления 101-153, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, машинного масла MOBILE 1™, машинного масла Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок (например, высокоуглеродистого масла), керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации. (Embodiment 154) The method according to any one of embodiments 101-153, at least one liquid organic compound is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, methylpyrrolidone, d-cyclopentadiene, hexane, benzene, toluene, heptane, xylene, DMSO, mineral oil, machine oil, MOBILE 1™ machine oil, Syn 530 machine oil, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, base oil, hydrogenated castor oil, gear oil, gear oil, vegetable oil, drilling oil solution, oils with additives, oils without additives (for example, high-carbon oil), kerosene, diesel fuel, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylamine, trimethylamine, pentane, cyclopentane, cyclohexane, 1,4-dioxane, chloroform, diethyl ether, dichloromethane, tetrahydrofuran, ethyl acetate, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, nitromethane, propylene carbonate, formic acid ota, butanol, propanol, acetic acid, octadecene, oleic acid, oleylamine, octane, diethylene glycol ether, 1,2-dichlorobenzene, methyl acetate, tetrachlorethylene, diphenylthiourea, hexafluoro-2-propanol, cinnamic acid, trimethylamine, benzenethiol, ethanethiol, ethanedithiol, 4-aminobenzenethiol, acrylic acid, carbon disulfide, 1,2-dichlorobenzene, N-methyl-2-pyrrolidone, and any combination thereof.

(Вариант осуществления 155) Способ по любому из вариантов осуществления 101-154, где жидкость включает воду.(Embodiment 155) The method of any one of Embodiments 101-154, wherein the liquid comprises water.

(Вариант осуществления 156) Способ по любому из вариантов осуществления, 101-155, где газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их комбинации. (Embodiment 156) The method of any one of embodiments 101-155, wherein the gaseous organic compound is selected from the group consisting of methane, acetylene, ethylene, propane, 1,3-butadiene, butane, and any combination thereof.

(Вариант осуществления 157) Способ по любому из вариантов осуществления 101-156, где жидкость характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.(Embodiment 157) The method of any one of Embodiments 101-156, wherein the liquid has a bulk temperature of less than 400°C.

(Вариант осуществления 158) Способ по любому из вариантов осуществления 101-157, где жидкость характеризуется объемной температурой 20°C или больше.(Embodiment 158) The method of any one of Embodiments 101-157, wherein the liquid has a bulk temperature of 20°C or more.

(Вариант осуществления 159) Способ по любому из вариантов осуществления 101-158, где газ характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.(Embodiment 159) The method of any one of Embodiments 101-158, wherein the gas has a bulk temperature of less than 400°C.

(Вариант осуществления 160) Способ по любому из вариантов осуществления 101-159, где газ характеризуется объемной температурой 20°C или больше.(Embodiment 160) The method of any one of Embodiments 101-159, wherein the gas has a bulk temperature of 20°C or more.

(Вариант осуществления 161) Способ по любому из вариантов осуществления 101-160, где жидкость характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 5 л/мин до 200 л/мин в зоне кавитации кавитационного реактора. (Embodiment 161) The method of any one of embodiments 101-160, wherein the liquid has a flow rate selected from the range of 5 L/min to 200 L/min in the cavitation zone of the cavitation reactor.

(Вариант осуществления 162) Способ по любому из вариантов осуществления 101-161, где газ впрыскивается под давлением, охарактеризованным давлением, выбранным из диапазона от 2 ф./кв.д. до 150 ф./кв.д. в зоне реакции реактора.(Embodiment 162) The method of any one of embodiments 101-161, wherein the gas is injected at a pressure characterized by a pressure selected from a range of 2 psi. up to 150 psi in the reaction zone of the reactor.

(Вариант осуществления 163) Способ по любому из вариантов осуществления 101-162, где давление в зоне реакции выбрано из диапазона от 10 ф./кв.д. до 5000 ф./кв.д.(Embodiment 163) The method of any one of Embodiments 101-162, wherein the pressure in the reaction zone is selected from the range of 10 psi. up to 5000 psi

(Вариант осуществления 164) Способ по любому из вариантов осуществления 101-163, где реактор включает ротор-статор и где ротор-статор работает со скоростью вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин в зоне реакции реактора.(Embodiment 164) The method of any one of embodiments 101-163, wherein the reactor includes a rotor-stator, and wherein the rotor-stator operates at a rotation speed selected from a range of 200 rpm to 14,000 rpm in the reaction zone of the reactor.

(Вариант осуществления 165) Способ по любому из вариантов осуществления 101-064, где время пребывания жидкости в зоне реакции выбрано из диапазона 1-60 минут.(Embodiment 165) The method of any one of embodiments 101-064, wherein the residence time of the liquid in the reaction zone is selected from the range of 1-60 minutes.

(Вариант осуществления 166) Способ по любому из вариантов осуществления 101-165, где способ выполняется в течение времени, выбранного из диапазона 1-60 минут. (Embodiment 166) The method of any one of embodiments 101-165, wherein the method is performed for a time selected from the range of 1-60 minutes.

(Вариант осуществления 167) Способ по любому из вариантов осуществления 101-166, где реактор включает ультразвуковой реактор и где ультразвуковой реактор работает при частоте обработки ультразвуком 20-300 кГц и амплитудном диапазоне 10-100%.(Embodiment 167) The method of any one of embodiments 101-166, wherein the reactor includes an ultrasonic reactor, and wherein the ultrasonic reactor is operated at a sonication frequency of 20-300 kHz and an amplitude range of 10-100%.

(Вариант осуществления 168) Способ по любому из вариантов осуществления 101-167, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -160 мВ.(Embodiment 168) The method of any one of Embodiments 101-167, wherein the dispersion or carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +40 mV or less than -160 mV.

(Вариант осуществления 169) Способ по любому из вариантов осуществления 101-168, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ.(Embodiment 169) The method of any one of Embodiments 101-168, wherein the dispersion or the carbon material in the dispersion has a Zeta potential greater than +40 mV or less than -40 mV.

(Вариант осуществления 170) Способ по любому из вариантов осуществления 101-169, где концентрация твердого углеродного материала в дисперсии составляет от 0,0025% масс. до 7% масс.(Embodiment 170) The method according to any one of embodiments 101-169, wherein the concentration of solid carbon material in the dispersion is from 0.0025 wt. up to 7% wt.

(Вариант осуществления 171) Способ по любому из вариантов осуществления 101-170, где дисперсия является коллоидом, суспензией, золем или их комбинацией.(Embodiment 171) The method of any one of Embodiments 101-170, wherein the dispersion is a colloid, a suspension, a sol, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 172) Способ по любому из вариантов осуществления 101-171, где твердый углеродный материал содержит графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.(Embodiment 172) The method of any one of embodiments 101-171, wherein the solid carbon material comprises graphite , expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon flakes, carbon nanotubes, carbon onions, other carbon allotrope, graphene-containing composite , cationic graphene, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 173) Способ по варианту осуществления 172, где соединение включает серу и графен или включает гексагональный нитрид бора и графен.(Embodiment 173) The method of Embodiment 172, wherein the compound includes sulfur and graphene, or includes hexagonal boron nitride and graphene.

(Вариант осуществления 174) Способ по любому из вариантов осуществления 101-172, где углеродный материал включает графен или графеноподобный материал.(Embodiment 174) The method of any one of Embodiments 101-172, wherein the carbon material comprises graphene or a graphene-like material.

(Вариант осуществления 175) Способ по варианту осуществления 172, где углеродный материал является графеном или графеноподобным материалом.(Embodiment 175) The method of Embodiment 172, wherein the carbon material is graphene or a graphene-like material.

(Вариант осуществления 176) Способ по любому из вариантов осуществления 101-172, углеродный материал, включающий нанокомпозит графенового полимера.(Embodiment 176) The method of any one of Embodiments 101-172, a carbon material comprising a graphene polymer nanocomposite.

(Вариант осуществления 177), Способ по любому из вариантов осуществления 172-176, где графеном является морщинистый графен, раскрошенный графен, графен с отверстиями или любая их комбинация. (Embodiment 177) The method of any one of embodiments 172-176, wherein the graphene is wrinkled graphene, crumbled graphene, holed graphene, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 178) Способ по любому из вариантов осуществления 101-177, где углеродный материал характеризуется содержанием кислорода меньше чем 7% атом.(Embodiment 178) The method of any one of Embodiments 101-177, wherein the carbon material has an oxygen content of less than 7 atom%.

(Вариант осуществления 179) Способ по любому из вариантов осуществления 101-178, где дисперсия характеризуется коэффициентом трения, уменьшающимся, по меньшей мере, на 5% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала.(Embodiment 179) The method of any one of embodiments 101-178, wherein the dispersion has a coefficient of friction that is reduced by at least 5% relative to the same fluid without solid carbon material.

(Вариант осуществления 180) Способ по любому из вариантов осуществления 101-179, где дисперсия характеризуется следом изнашивания, уменьшающимся, по меньшей мере, на 3% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала.(Embodiment 180) The method of any one of Embodiments 101-179, wherein the dispersion has a wear track reduced by at least 3% relative to the same fluid without solid carbon material.

(Вариант осуществления 181) Способ по любому из вариантов осуществления 101-180, дополнительно включающий использование твердого углеродного материала или дисперсии для уменьшения трения.(Embodiment 181) The method of any one of Embodiments 101-180, further comprising using a hard carbon material or dispersion to reduce friction.

(Вариант осуществления 182) Способ по любому из вариантов осуществления 101-181, включающий уменьшение трения in situ.(Embodiment 182) The method of any one of Embodiments 101-181, comprising reducing friction in situ.

(Вариант осуществления 183) Способ по варианту осуществления 181 или 182, где дисперсию используют для уменьшения трения, не убирая или изолируя твердый углеродный материал из дисперсии.(Embodiment 183) The method of Embodiment 181 or 182 wherein the dispersion is used to reduce friction without removing or isolating the hard carbon material from the dispersion.

(Вариант осуществления 184) Способ по любому из вариантов осуществления 101-180, дополнительно включающий использование твердого углеродного материала или дисперсии для усиления анода батареи и/или катода батареи.(Embodiment 184) The method of any one of embodiments 101-180, further comprising using a hard carbon material or dispersion to reinforce a battery anode and/or a battery cathode.

(Вариант осуществления 185) Способ по любому из вариантов осуществления 101-184, дополнительно включающий функционализацию твердого углеродного материала для получения функционализированного твердого углеродного материала.(Embodiment 185) The method of any one of Embodiments 101-184, further comprising functionalizing the hard carbon material to obtain a functionalized hard carbon material.

(Вариант осуществления 186) Способ по любому из вариантов осуществления 101-185, где дисперсия является первой дисперсией, химическая реакция, является первой химической реакцией, твердый углеродный материал является материалом предшественником, газ является первым газом, и реактор является первым реактором; где способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй реактор; доставку второго газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение непосредственно в зону реакции второго реактора; и индуцирование второй химической реакции в зоне реакции второго реактора; где: вторая химическая реакция превращает материал предшественник во второй твердый углеродный материал; второй углеродный материал диспергирован в жидкости; и материал предшественник и второй углеродный материал отличаются.(Embodiment 186) The method of any one of embodiments 101-185, wherein the dispersion is the first dispersion, the chemical reaction is the first chemical reaction, the solid carbon material is the precursor material, the gas is the first gas, and the reactor is the first reactor; where the method further includes: delivering the first dispersion to the second reactor; delivering a second gas containing at least one gaseous organic compound directly to the reaction zone of the second reactor; and inducing a second chemical reaction in the reaction zone of the second reactor; where: the second chemical reaction converts the precursor material into a second solid carbon material; the second carbon material is dispersed in the liquid; and the precursor material and the second carbon material are different.

(Вариант осуществления 187), Способ по варианту осуществления 186, где второй реактор является кавитационным реактором и стадия индуцирования включает формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне реакции второго реактора.(Embodiment 187) The method of Embodiment 186, wherein the second reactor is a cavitation reactor and the induction step includes forming cavitation bubbles in the first dispersion in the reaction zone of the second reactor.

(Вариант осуществления 188) Способ по любому из вариантов осуществления 186-187, где первый реактор и второй реактор являются одинаковыми.(Embodiment 188) The method of any one of Embodiments 186-187, wherein the first reactor and the second reactor are the same.

(Вариант осуществления 189) Способ функционализации первого твердого углеродного материала, диспергированного в жидкости, где первый твердый углеродный материал-предшественник диспергирован в жидкости, являющейся первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в зону реакции реактора; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; доставку газа в зону реакции реактора; и индуцирование функционализационной химической реакции, где: функционализационная химическая реакция формирует второй углеродный материал из первого углеродного материала; функционализационная химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; и второй твердый углеродный материал получен во время реакции в форме второй дисперсии, где вторая дисперсия включает второй твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости.(Embodiment 189) A method for functionalizing a first solid carbon material dispersed in a liquid, wherein the first solid carbon precursor material is dispersed in a liquid being the first dispersion, wherein the method includes the steps of: delivering the first dispersion to a reaction zone of the reactor; where the liquid contains at least one liquid organic compound; delivery of gas to the reaction zone of the reactor; and inducing a functionalization chemical reaction, wherein: the functionalization chemical reaction forms a second carbon material from the first carbon material; the functionalization chemical reaction takes place in the reaction zone of the reactor; and the second solid carbon material is obtained during the reaction in the form of a second dispersion, where the second dispersion includes a second solid carbon material dispersed in a liquid.

(Вариант осуществления 190) Способ по варианту осуществления 189, где функционализационная химическая реакция включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию первого твердого углеродного материала.(Embodiment 190) The method of Embodiment 189, wherein the functionalization chemical reaction comprises chemical, physical, or both chemical and physical functionalization of the first solid carbon material.

(Вариант осуществления 191) Способ по варианту осуществления 189 или варианту осуществления 190, где первый твердый углеродный материал содержит оксид графена, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.(Embodiment 191) The method of Embodiment 189 or Embodiment 190, wherein the first solid carbon material comprises graphene oxide, graphite , expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon slabs, carbon nanotubes, carbon onions, another carbon allotrope, a composite containing graphene, cationic graphene, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 192) Способ по любому из вариантов осуществления 189-191, где второй твердый углеродный материал содержит, восстановленный оксид графена, оксид графена, окисленный по краю графен, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.(Embodiment 192) The method of any one of embodiments 189-191, wherein the second solid carbon material comprises, reduced graphene oxide, graphene oxide, edge-oxidized graphene, graphite , expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon flakes, carbon nanotubes, carbon onions, other carbon allotrope, composite containing graphene, cationic graphene, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 193) Способ по любому из вариантов осуществления 189-192, где первый твердый углеродный материал содержит оксид графена и второй твердый углеродный материал включает восстановленный оксид графена.(Embodiment 193) The method of any one of embodiments 189-192, wherein the first carbon solid material comprises graphene oxide and the second carbon solid material comprises reduced graphene oxide.

(Вариант осуществления 194) Способ по варианту осуществления 193, где атомная доля кислорода во втором углеродном материале, по меньшей мере, на 50% меньше, чем атомная доля кислорода в первом углеродном материале.(Embodiment 194) The method of Embodiment 193, wherein the atomic fraction of oxygen in the second carbon material is at least 50% less than the atomic fraction of oxygen in the first carbon material.

(Вариант осуществления 195) Способ по любому из вариантов осуществления 189-192, где функционализационная химическая реакция включает окисление первого твердого углеродного материала таким образом, что второй твердый углеродный материал растворим в воде.(Embodiment 195) The method of any one of embodiments 189-192, wherein the functionalization chemical reaction comprises oxidizing the first solid carbon material such that the second solid carbon material is soluble in water.

(Вариант осуществления 196) Способ вариантов осуществления 195, где жидкость включает воду и вторую дисперсию, является водной дисперсией второго углеродного материала в воде.(Embodiment 196) The method of embodiments 195, wherein the liquid comprises water and the second dispersion is an aqueous dispersion of the second carbon material in water.

(Вариант осуществления 197) Способ по любому из вариантов осуществления 189-196, где функционализационная химическая реакция включает добавление атомов кислорода к первому твердому углеродному материалу, удаление атомов кислорода из первого твердого углеродного материала, добавление атомов углерода к первому твердому углеродному материалу, добавление атомов азота к первому твердому углеродному материалу, добавление атомов серы к первому твердому углеродному материалу или их комбинацию.(Embodiment 197) The method of any one of embodiments 189-196, wherein the functionalization chemical reaction comprises adding oxygen atoms to the first solid carbon material, removing oxygen atoms from the first solid carbon material, adding carbon atoms to the first solid carbon material, adding nitrogen atoms to the first solid carbon material, adding sulfur atoms to the first solid carbon material, or a combination thereof.

(Вариант осуществления 198) Способ по любому из вариантов осуществления 189-197, где газ включает кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO2, озон или любую их комбинацию.(Embodiment 198) The method of any one of embodiments 189-197, wherein the gas comprises oxygen, steam, hydrogen, nitrogen, sulfur dioxide, CO 2 , ozone, or any combination thereof.

(Вариант осуществления 199) Способ по любому из вариантов осуществления 189-198, где: реактор является кавитационным реактором, и зона реакции является зоной кавитации; способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и газ впрыскивается непосредственно в зону кавитации.(Embodiment 199) The method of any one of embodiments 189-198, wherein: the reactor is a cavitation reactor and the reaction zone is a cavitation zone; the method includes the formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor; and the gas is injected directly into the cavitation zone.

(Вариант осуществления 200) Способ по любому из вариантов осуществления 189-199, где первый твердый углеродный материал химически не связан с твердой подложкой во время функционализационной химической реакции.(Embodiment 200) The method of any one of embodiments 189-199, wherein the first solid carbon material is not chemically bonded to the solid support during the functionalization chemical reaction.

(Вариант осуществления 201) Способ по любому из вариантов осуществления 1-200, где газ содержит, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение.(Embodiment 201) The method of any one of Embodiments 1-200, wherein the gas contains at least one gaseous organic compound.

(Вариант осуществления 202) Способ по любому из вариантов осуществления 189-200, где газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из алкана, алкена, алкина, циклоалкана, гетероциклоалкана, арена, гетероарена и их комбинации, где алкан, алкен, алкин, циклоалкан, гетероциклоалкан, арен или гетероарен необязательно замещен одним или несколькими заместителями.(Embodiment 202) The method of any one of embodiments 189-200, wherein the gaseous organic compound is selected from the group consisting of alkane, alkene, alkyne, cycloalkane, heterocycloalkane, arene, heteroarene, and combinations thereof, wherein alkane, alkene, alkyne, cycloalkane , heterocycloalkane, arene or heteroarene is optionally substituted with one or more substituents.

(Вариант осуществления 203) Способ по любому из вариантов осуществления 189-202, где по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их комбинации.(Embodiment 203) The method of any one of embodiments 189-202, wherein at least one gaseous organic compound is selected from the group consisting of methane, acetylene, ethylene, propane, 1,3-butadiene, butane, and any combination thereof.

(Вариант осуществления 204) Функционализированный материал, полученный способом по любому из вариантов осуществления 189-203.(Embodiment 204) A functionalized material obtained by the method of any one of Embodiments 189-203.

Следующие примеры дополнительно иллюстрируют изобретение, но, конечно, не должны быть истолкованы как ограничивающие его объем каким-либо образом.The following examples further illustrate the invention, but are of course not to be construed as limiting its scope in any way.

ПРИМЕР 1EXAMPLE 1

Этот пример демонстрирует способы получения одного или нескольких углеродных материалов в жидкости с применением гидродинамического кавитационного реактора. Более подробно, этот пример представляет способ синтеза углеродного материала в кавитационном облаке гидродинамического кавитационного реактора. типовой вариант осуществления способа включает: (a) течение высокоуглеродистой жидкости (жидкости, включающей органическое соединение) через гидродинамический кавитационный реактор и затем (b) введение высокоуглеродистого газа (газа, включающего органическое соединение) на задней стороне кавитационного отверстия в начале нуклеации кавитационных пузырей. В течение секунд графеноподобные материалы начинают формироваться в кавитационном облаке. (c) После предопределенного времени, поток газа останавливают, что тормозит продолжающееся формирование синтезируемого газообразного материала. Давление газа и время течения определяют толщину и размер начальных графеновых пластинок. (d) Необязательно, жидкость, содержащую графеноподобный материал, можно оставить циркулировать в течение дополнительного времени (например, 15 минут). В течение этого дополнительного времени циркуляции, в результате захвата газа, углеродный материал продолжает образовываться. Было обнаружено, что захваченный газ, впрыснутый на задней стороне (например, выходе) диафрагмы, ведет себя по-другому, чем захваченный газ, введенный перед отверстием; а именно, газ после отверстия не дегазируется так легко, как газ, впрыскиваемый перед отверстием. Это подтверждается тем, что, когда газ барботируется или непосредственно впрыскивается перед отверстием, образуется минимальное количество углеродного материала. Однако если жидкость, содержащую индуцированный после отверстия газ, оставляют циркулировать (при отсутствии впрыска газа), происходит дополнительное образование углеродного материала. This example demonstrates methods for producing one or more carbonaceous materials in a liquid using a hydrodynamic cavitation reactor. In more detail, this example represents a method for synthesizing carbon material in the cavitation cloud of a hydrodynamic cavitation reactor. a typical embodiment of the method includes: (a) flowing a high carbon liquid (a liquid including an organic compound) through a hydrodynamic cavitation reactor and then (b) introducing a high carbon gas (a gas including an organic compound) at the back of the cavitation hole at the start of nucleation of the cavitation bubbles. Within seconds, graphene-like materials begin to form in the cavitation cloud. (c) After a predetermined time, the gas flow is stopped, which inhibits the continued formation of the synthesized gaseous material. The gas pressure and flow time determine the thickness and size of the initial graphene plates. (d) Optionally, the liquid containing the graphene-like material can be left to circulate for an additional time (eg, 15 minutes). During this additional circulation time, as a result of gas entrainment, carbon material continues to form. It has been found that entrapped gas injected at the rear side (eg outlet) of a diaphragm behaves differently than entrapped gas introduced in front of the orifice; namely, the gas after the hole is not degassed as easily as the gas injected before the hole. This is confirmed by the fact that when the gas is sparged or directly injected in front of the orifice, a minimum amount of carbonaceous material is formed. However, if the liquid containing the gas induced after the orifice is left to circulate (in the absence of gas injection), additional formation of carbon material occurs.

После завершения доставки газа и продолжения циркуляции дисперсии в зоне кавитации, жидкость может быть необязательно дегазирована. При дегазации, силы сдвига, испытываемые частицами углеродного материала в дисперсии, могут привести к уменьшению одной или нескольких размерных характеристик частиц. Без дегазации, силы сдвига, испытываемые частицами углеродного материала в дисперсии, могут привести к увеличению одной или нескольких размерных характеристик углеродного материала в дисперсии (например, большие и/или более толстые графеновые пластинки). Например, увеличенные силы сдвига может уменьшить графеновые пластинки. Газ, захваченный в жидкости во время воздействия на дисперсию сил сдвига или увеличенных сил сдвига, может сделать меньшие пластинки тоньше. Уменьшенная концентрация захваченного газа (например, через дегазацию) может предотвратить утолщение пластинок в этом режиме (т.е. сохранении дисперсии в зоне кавитации без доставки газа).After gas delivery is complete and the dispersion continues to circulate in the cavitation zone, the liquid may optionally be degassed. Upon degassing, the shear forces experienced by the particles of carbon material in the dispersion may result in a decrease in one or more of the dimensional characteristics of the particles. Without outgassing, the shear forces experienced by the particles of carbon material in the dispersion can lead to an increase in one or more dimensional characteristics of the carbon material in the dispersion (eg, larger and/or thicker graphene slabs). For example, increased shear forces can shrink graphene lamellae. Gas trapped in the liquid while the dispersion is subjected to shear forces or increased shear forces can make smaller lamellae thinner. A reduced concentration of entrained gas (eg, through degassing) can prevent thickening of the plates in this mode (ie, keeping the dispersion in the cavitation zone without gas delivery).

ПРИМЕР 2EXAMPLE 2

Этот пример демонстрирует способы функционализация одного или нескольких материалов, таких как углеродные материалы, с применением гидродинамического кавитационного реактора. Например, способы из этого примера могут применяться для функционализации графена. Возможно функционализировать углеродные материалы, полученные процессом, описанным в настоящем документе, или углеродные материалы, полученные другими способами. Примеры такой функционализации включают: 1) исправление физических дефектов, 2) химическую функционализацию с различными газами, и 3) физическую функционализацию (например, изменение морфологии графена). This example demonstrates methods for functionalizing one or more materials, such as carbon materials, using a hydrodynamic cavitation reactor. For example, the methods of this example can be used to functionalize graphene. It is possible to functionalize carbon materials obtained by the process described herein, or carbon materials obtained by other methods. Examples of such functionalization include: 1) correction of physical defects, 2) chemical functionalization with different gases, and 3) physical functionalization (eg, changing the morphology of graphene).

Исправление дефектов: исправление физических дефектов на графеновых пластинках является одной из наибольших проблем при производстве чистого графена. Обычный подход к «исправлению» дефектов графена заключается в использовании CVD (химическое осаждение из паровой фазы) для наполнения графеновых пластинок богатым углеродом газом, таким как этилен. Углерод в газе эффективно заполняет дефекты. Способ CVD, тем не менее, не является легко масштабируемым.Correcting Defects: Correcting physical defects in graphene wafers is one of the biggest challenges in the production of pure graphene. A common approach to "correcting" graphene defects is to use CVD (chemical vapor deposition) to fill graphene wafers with a carbon-rich gas such as ethylene. The carbon in the gas effectively fills the defects. The CVD method, however, is not easily scalable.

Процессы, описанные в настоящем документе, могут применяться для добавления углерода к графену для исправления, или заделывания, дефектов графена. Это продемонстрировано через формирование графена с большим количеством дефектов с последующей функционализацией его для фиксирования/исправления/заделывания дефектов высокоуглеродистым газом. Например, графен с большим количеством дефектов получают, начиная с оксида графена и затем восстанавливая кислород на графене через обработку оксида графена резкими химикатами (например, борогидридом натрия, серной кислотой) при чрезвычайно высоких температурах (например, 1100°C). Это создает очень восстановленный оксид графена с большим количеством дефектов (rGO), который затем диспергируют в этаноле. Затем дисперсию циркулируют через гидродинамический кавитационный реактор, одновременно ацетилен впрыскивают в кавитационное облако на задней стороне отверстия. Ацетиленовый газ «заделывает» пустоты в дефектном графене, что подтверждено заметным ростом проводимости «заделанного» графена на шайбе фильтра. См. ФИГ. 2. Для сравнения, шайбы фильтра подобного веса получают с необработанным GO с высоким содержанием кислорода и раскисленным, сильно восстановленным GO, имеющим дефекты. Как видно из ФИГ. 2, существует заметное различие в проводимости между тремя шайбами фильтра: 1) необработанный графен с низким содержанием кислорода, 2) тот же графен после раскисления (т.е. с дефектами), и 3) раскисленный графен, обработанный ацетиленом, т.е. «заделанный» в варианте осуществления способа по изобретению.The processes described herein can be used to add carbon to graphene to correct, or repair, defects in graphene. This has been demonstrated by forming graphene with a large number of defects and then functionalizing it to fix/fix/fill the defects with high carbon gas. For example, defective graphene is obtained by starting with graphene oxide and then reducing oxygen on the graphene by treating the graphene oxide with harsh chemicals (eg, sodium borohydride, sulfuric acid) at extremely high temperatures (eg, 1100°C). This creates a highly defective, highly reduced graphene oxide (rGO), which is then dispersed in ethanol. The dispersion is then circulated through a hydrodynamic cavitation reactor, while acetylene is injected into the cavitation cloud at the back of the orifice. Acetylene gas "fills" voids in defective graphene, which is confirmed by a noticeable increase in the conductivity of "filled" graphene on the filter washer. See FIG. 2. By comparison, filter washers of similar weight are produced with untreated high oxygen GO and deoxidized, highly reduced GO with defects. As seen from FIG. 2, there is a noticeable difference in conductivity between the three filter beads: 1) untreated graphene with low oxygen content, 2) the same graphene after deoxidation (i.e. with defects), and 3) deoxidized graphene treated with acetylene, i.e. "embedded" in an embodiment of the method of the invention.

Химическая функционализация: способы, описанные в настоящем документе, могут также применяться для химической функционализации графена и других углеродных материалов через введение различных газов в кавитационное облако. Например, кислород может быть добавлен в дисперсию графена для получения оксида графена, аргон и/или водород могут быть добавлены для восстановления кислорода на графеновых пластинках, азот может увеличить смазочные свойства графена, и диоксид серы может добавить серу к графену и другим углеродным материалам.Chemical Functionalization: The methods described herein can also be applied to the chemical functionalization of graphene and other carbon materials through the introduction of various gases into the cavitation cloud. For example, oxygen can be added to a graphene dispersion to produce graphene oxide, argon and/or hydrogen can be added to reduce oxygen on graphene wafers, nitrogen can increase the lubricity of graphene, and sulfur dioxide can add sulfur to graphene and other carbon materials.

Физическая функционализация: различные комбинации давления газа и противодавления могут использоваться для создания, например: морщинистого графена, раскрошенного графена или графена с отверстиями. Кроме того, различные комбинации газа и растворителя под различными давлениями и с различными отверстиями могут быть применены для создания углеродных нанотрубок, углеродных луковиц или других углеродных аллотропов.Physical functionalization: Various combinations of gas pressure and back pressure can be used to create, for example: wrinkled graphene, crushed graphene, or graphene with holes. In addition, different combinations of gas and solvent at different pressures and with different orifices can be used to create carbon nanotubes, carbon onions, or other carbon allotropes.

ПРИМЕР 3EXAMPLE 3

В этом примере графеновые пластинки формируют согласно определенным способам, описанным в настоящем документе. ФИГ. 3 показывает изображение сканирующей электронной микроскопии (SEM) некоторых графеноподобных пластинок. ФИГ. 4 показывает данные энергии дисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), измеренные из двух частей пластинок, показанных на ФИГ. 3. Верхний белый квадрат и нижний белый квадрат на изображении SEM с ФИГ. 3 соответствуют «Спектру 5» и «Спектру 6» данных графика EDS на ФИГ. 4. Атомные композиции, полученные из данных EDS, соответствующих этим графеновым пластинкам, суммированы в Таблице 1. В Таблице 1 «C/O» соответствует отношению атомных концентраций углерода к кислороду.In this example, graphene plates are formed according to certain methods described in this document. FIG. 3 shows a scanning electron microscopy (SEM) image of some graphene-like plates. FIG. 4 shows dispersive X-ray spectroscopy (EDS) energy data measured from the two portions of the plates shown in FIG. 3. Top white square and bottom white square in the SEM image of FIG. 3 correspond to "Spectrum 5" and "Spectrum 6" of the EDS plot data in FIG. 4. The atomic compositions derived from the EDS data corresponding to these graphene sheets are summarized in Table 1. In Table 1, "C/O" corresponds to the ratio of atomic concentrations of carbon to oxygen.

Таблица 1Table 1

Метка спектраSpectrum label Концентрация
C (% атом.)
Concentration
C (% atom)
Концентрация
O (% атом.)
Concentration
O (% atom)
Общее количество
Концентрация (% атом.)
Total
Concentration (% atom)
C/O ОтношениеC/O Ratio
Спектр 5Spectrum 5 99,4399.43 0,570.57 100,00100.00 ~175:1~175:1 Спектр 6Spectrum 6 99,6099.60 0,400.40 100,00100.00 ~249:1~249:1

ФИГ. 5А и 5B показывают дополнительные изображения типовых графеноподобных пластинок, полученных согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. FIG. 5A and 5B show additional images of exemplary graphene-like wafers produced according to embodiments of the methods described herein.

ПРИМЕР 4АEXAMPLE 4A

В этом примере углеродный материал, содержащий графеноподобный материал, получают с применением гидродинамической кавитации, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. In this example, a carbon material containing a graphene-like material is produced using hydrodynamic cavitation according to embodiments of the methods described herein.

На ФИГ. 6A-7B, углеродный материал получают с применением пропана в качестве доставленного газообразного органического соединения и толуола в качестве жидкого органического соединения. ФИГ. 6A показывает изображение SEM микронных графеновых пластинок с квадратами (маркированными как «1» и «2»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 6B (квадрат 1 соответствует «Спектру 1» и квадрат 2 соответствует «Спектру 2»). ФИГ. 6B показывает спектры EDS и в Таблице 2 суммированы атомные концентрации элементов, рассчитанные из спектров EDS, в углеродном материале в областях, идентифицированных на ФИГ. 6А. FIG. 6A-7B, the carbon material is produced using propane as the delivered gaseous organic compound and toluene as the liquid organic compound. FIG. 6A shows an SEM image of micron graphene wafers with squares (labeled "1" and "2") identifying regions corresponding to the EDS spectra shown in FIG. 6B (square 1 corresponds to "Spectrum 1" and square 2 corresponds to "Spectrum 2"). FIG. 6B shows the EDS spectra and Table 2 summarizes the atomic concentrations of the elements calculated from the EDS spectra in the carbon material in the regions identified in FIG. 6A.

Таблица 2table 2

Метка спектраSpectrum Label Концентрация
C (% атом.)
Concentration
C (% atom)
Концентрация O
(% атом.)
O concentration
(% atom)
Общее количество
Концентрация (% атом.)
Total
Concentration (% atom)
Спектр 1Spectrum 1 99,1999.19 0,810.81 100,00100.00 Спектр 2Spectrum 2 98,2398.23 1,771.77 100,00100.00

ФИГ. 7A показывает изображение SEM микронных графеновых пластинок с областями (маркированными как «5» и «6»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 7B (квадрат 5 соответствует «Спектру 5» и квадрат 6 соответствует «Спектру 6»). ФИГ. 7B показывает спектры EDS и таблицу, суммирующую атомные концентрации элементов, рассчитанные из спектров EDS, в углеродном материале в областях, определенных на ФИГ. 7А. Углеродный материал, сформированный в этом примере, соответствующий ФИГ. 6A-7B, имеет концентрацию кислорода меньше чем 1,77% атом. или не меньше 0,40%. FIG. 7A shows an SEM image of micron graphene wafers with regions (labeled "5" and "6") identifying regions corresponding to the EDS spectra shown in FIG. 7B (square 5 corresponds to "Spectrum 5" and square 6 corresponds to "Spectrum 6"). FIG. 7B shows the EDS spectra and a table summarizing the atomic concentrations of elements calculated from the EDS spectra in the carbon material in the regions defined in FIG. 7A. The carbon material formed in this example corresponding to FIG. 6A-7B has an oxygen concentration of less than 1.77 atom%. or not less than 0.40%.

В этом примере, используют 5 мм отверстие с давлением впрыскиваемого газа 3000 ф./кв.д., и способ проводят в течение 1 минуты.In this example, a 5 mm orifice with an injection gas pressure of 3000 psi is used and the process is carried out for 1 minute.

ПРИМЕР 4BEXAMPLE 4B

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением гидродинамической кавитации, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. In this example, a carbon material including graphene is produced using hydrodynamic cavitation, according to embodiments of the methods described herein.

На ФИГ. 8A-8B, углеродный материал получают с применением ацетилена в качестве доставленного газообразного органического соединения и жидкого этанола в качестве органического соединения жидкости. В этом примере жидкость является полностью или по существу органическим соединением (этанолом). ФИГ. 8A-8B показывают изображения SEM углеродного материала. В этом примере используют отверстие 0,5 мм и давление впрыскиваемого газа 3000 ф./кв.д., и способ выполняют в течение 5 минут.FIG. 8A-8B, the carbon material is produced using acetylene as the delivered gaseous organic compound and liquid ethanol as the liquid organic compound. In this example, the liquid is wholly or essentially an organic compound (ethanol). FIG. 8A-8B show SEM images of carbon material. In this example, a 0.5 mm orifice and an injection gas pressure of 3000 psi are used and the process is performed for 5 minutes.

Другими примерами гидродинамических реакторов могут быть: 1) реактор с ударной волной, такой как SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR) (Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA). При прохождении жидкости через реактор с ударной волной, она подвергается «контролируемой кавитации». Сердце устройства является специально разработанным ротором, который вращается. Вращение создает гидродинамическую кавитацию в полостях ротора далеко от металлических поверхностей. Кавитацию контролируют, и поэтому нет никакого повреждения. При образовании и коллапсе микроскопических кавитационных пузырей, в жидкость испускаются ударные волны, которые могут нагревать и/или смешивать. 2) Другим гидродинамическим реактором является вращающийся дисковый реактор. Реактор с ударной волной является устройством, использующим вращающийся диск, как правило, близко к неподвижной поверхности, для ускорения потока центробежным способом. Компоненты которого активируют поток (который, как правило, является жидкостью), для смешивания, перемешивания, сдвига, образования кавитации (вакуума) и получения изменения температуры, под влиянием вращения пограничного слоя. Одним из главных механизмов является ультразвуковая химия (производящая ультразвук через формирование акустической кавитации в жидкостях - что приводит к химической активности). Например, когда кавитируют воду, имеется энергетический взрыв, включающий ультрафиолетовый свет, тепло и звук, известный как ударная волна.Other examples of hydrodynamic reactors may be: 1) a shock wave reactor such as the SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR) (Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA). As the liquid passes through the shock wave reactor, it undergoes "controlled cavitation". The heart of the device is a specially designed rotor that rotates. Rotation creates hydrodynamic cavitation in rotor cavities away from metal surfaces. Cavitation is controlled and therefore there is no damage. When microscopic cavitation bubbles form and collapse, shock waves are emitted into the liquid, which can heat and/or mix. 2) Another hydrodynamic reactor is the rotating disk reactor. A shock wave reactor is a device that uses a rotating disk, usually close to a stationary surface, to accelerate the flow in a centrifugal manner. The components of which activate the flow (which is usually a liquid) to mix, mix, shear, create cavitation (vacuum) and produce a change in temperature, influenced by the rotation of the boundary layer. One of the main mechanisms is ultrasonic chemistry (producing ultrasound through the formation of acoustic cavitation in liquids - which leads to chemical activity). For example, when water is cavitated, there is an energy blast involving ultraviolet light, heat, and sound known as a shock wave.

ПРИМЕР 5АEXAMPLE 5A

В этом примере углеродный материал, включая графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. В этом примере, батарейный смеситель со сдвигом, в частности, батарейную систему с высоким сдвигом FM300 Fuko, используют в качестве кавитационного реактора, пропан используют в качестве доставленного газообразного органического соединения, MOBILE 1™ машинное масло используют в качестве жидкого органического соединения. В этом примере жидкость полностью или по существу является органическим соединением (MOBILE 1™). Способ синтеза выполняют в течение 2 минут при давлении захвата газа 30 ф./кв.д. Газ захватывается жидкостью в отдельном баке под давлением, где газ впрыскивают при 30 ф./кв.д. Это позволяет удержать газ в жидкости. Под атмосферным давлением газ не захватывается в смазочном масле. Скорость потока впрыскивания газа составляет 11 мл/мин, и используют 12000 об/мин смеситель со сдвигом.In this example, carbon material, including graphene, is produced using shear, according to embodiments of the methods described herein. In this example, a battery shear mixer, specifically a Fuko FM300 high shear battery system, is used as the cavitation reactor, propane is used as the delivered gaseous organic compound, MOBILE 1™ engine oil is used as the liquid organic compound. In this example, the liquid is wholly or essentially an organic compound (MOBILE 1™). The synthesis process is carried out for 2 minutes at a gas entrainment pressure of 30 psi. The gas is entrained in liquid in a separate pressure tank where the gas is injected at 30 psi. This keeps the gas in the liquid. Under atmospheric pressure, the gas is not trapped in the lubricating oil. The gas injection flow rate is 11 ml/min and a 12000 rpm shear mixer is used.

ФИГ. 9A показывает интенсивность светорассеяния к диаметру частиц, и ФИГ. 9B показывает соответствующую таблицу, суммирующую данные на ФИГ. 9А. Данные соответствуют частицам углеродного материала в дисперсии, сформированным согласно этому примеру. Размеров частиц варьируется примерно от 4,4 нм до 184 нм (гидродинамический диаметр) по данным динамического светорассеяния. ФИГ. 10A показывает количественный гранулометрический состав, и ФИГ. 10B показывает таблицу, суммирующую распределение, соответствующее частицам углеродного материала, полученным согласно этому примеру. Частицы были преимущественно кристаллическими и имеют размер от 1,5 до 10,8 нм.FIG. 9A shows light scattering intensity versus particle diameter, and FIG. 9B shows a corresponding table summarizing the data in FIG. 9A. The data correspond to particles of carbon material in dispersion, formed according to this example. The particle size ranges from approximately 4.4 nm to 184 nm (hydrodynamic diameter) according to dynamic light scattering. FIG. 10A shows the quantitative particle size distribution, and FIG. 10B shows a table summarizing the distribution corresponding to the carbon material particles obtained according to this example. The particles were predominantly crystalline and range in size from 1.5 to 10.8 nm.

Следующее описание процедур характеризации относится к Примерам 5А и 5B:The following description of the characterization procedures applies to Examples 5A and 5B:

Частицы, суспендированные в жидкостях, находятся в Броуновском движении из-за случайных столкновений с молекулами растворителя. Это движение заставляет частицы диффундировать через среду. Коэффициент диффузии, D, обратно пропорционален размеру частиц согласно уравнению Стоукса-Эйнштейна:

Figure 00000001
.Particles suspended in liquids are in Brownian motion due to random collisions with solvent molecules. This movement causes the particles to diffuse through the medium. The diffusion coefficient, D, is inversely proportional to particle size according to the Stokes-Einstein equation:
Figure 00000001
.

Где D является константой диффузии, kB является константой Больцмана, T является абсолютной температурой, ƞ0 является вязкостью и d является диаметром сферической частицы.Where D is the diffusion constant, kB is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, ƞ 0 is the viscosity, and d is the diameter of the spherical particle.

Фотонная корреляционная спектроскопия, иногда также называемая динамическое светорассеяние, является методикой, используемой для определения коэффициента диффузии мелких частиц в жидкости. Коэффициент определяют путем точного измерения интенсивности светорассеяния частиц как функции от времени. Так как частицы, представляющие интерес, диффундируют через образец ячейки из-за Броуновского движения, падающий луч лазерного света облучает частицы. Частицы рассеивают свет, производя колебания интенсивности рассеяния как функции от времени. Рассеянный свет собирают под выбранным углом и измеряют высокочувствительным датчиком. Так как скорость диффузии частиц определяется их размером, информация об их размере содержится в скорости колебания светорассеяния. Колебания интенсивности собирают в виде импульсов фотона и коррелируют для создания функции аутокорреляции (ACF). Коэффициент диффузии определяют подгонкой ACF с применением способа Cumulants, из которого средний размер получают с применением уравнения Стоукса-Эйнштейна.Photon correlation spectroscopy, sometimes also called dynamic light scattering, is a technique used to determine the diffusion coefficient of small particles in a liquid. The coefficient is determined by accurately measuring the light scattering intensity of the particles as a function of time. As the particles of interest diffuse through the sample cell due to Brownian motion, the incident laser light beam irradiates the particles. Particles scatter light, producing fluctuations in scattering intensity as a function of time. Scattered light is collected at a selected angle and measured with a highly sensitive sensor. Since the rate of diffusion of particles is determined by their size, information about their size is contained in the rate of oscillation of light scattering. The intensity fluctuations are collected as photon pulses and correlated to create an autocorrelation function (ACF). The diffusion coefficient is determined by fitting the ACF using the Cumulants method, from which the average size is obtained using the Stokes-Einstein equation.

Дзета-потенциал: процесс, описанный в настоящем документе, дает кристаллические частицы с очень высоким Дзета-потенциалом. Таким образом, частицы углеродного материала, такие как частицы графена, в виде смазки, образуют очень стабильную дисперсию, например, имеющую Дзета-потенциал -63 мВ. В данной области техники признано, что коллоидное распределение, имеющее Дзета-потенциал больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ, является очень стабильным.Zeta Potential: The process described herein produces crystalline particles with a very high Zeta potential. Thus, particles of carbon material, such as graphene particles, in the form of a lubricant, form a very stable dispersion, for example, having a Zeta potential of -63 mV. It is recognized in the art that a colloidal distribution having a Zeta potential greater than +40 mV or less than -40 mV is very stable.

Дзета-потенциал является мерой электрического потенциала в плоскости скольжения в двойном слое, окружающем частицу, суспендированную в растворе. Двойной слой состоит из слоя Штерна и диффузного слоя. В слое Штерна ионы с противоположным зарядом поверхностных частиц привлечены к частице. При увеличении расстояния от поверхности частицы, противоположно заряженные ионы становятся более диффузными. Точка, где ионы начинают диффундировать в окружающую среду, называют плоскостью скольжения, так как сильно привлеченные ионы будут двигаться с частицей в Броуновском движении. Дзета-потенциал измеряют на плоскости скольжения. Дзета-потенциал может использоваться в качестве меры стабильности частицы в растворе. Частицы с Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ считаются стабильными, поскольку заряд предохраняет частицы от агломерации. Наоборот, частицы с Дзета-потенциалом ближе к 0 мВ, изоэлектрической точке, имеют тенденцию сталкиваться и формировать большие агломераты.The zeta potential is a measure of the electric potential in the glide plane in the double layer surrounding a particle suspended in solution. The double layer consists of a Stern layer and a diffuse layer. In the Stern layer, ions with the opposite charge of surface particles are attracted to the particle. As the distance from the particle surface increases, oppositely charged ions become more diffuse. The point where the ions begin to diffuse into the environment is called the slip plane, since the strongly attracted ions will move with the particle in Brownian motion. The zeta potential is measured on the glide plane. The zeta potential can be used as a measure of the stability of a particle in solution. Particles with a Zeta potential greater than +40 mV or less than -40 mV are considered stable because the charge prevents the particles from agglomerating. Conversely, particles with a Zeta potential closer to 0 mV, the isoelectric point, tend to collide and form large agglomerates.

Электрофоретическое светорассеяние является способом, используемым для определения Дзета-потенциала заряженных частиц в растворе. Заряд на плоскости скольжения не может измеряться непосредственно на анализаторе частиц DELSA™Nano C (Beckman Coulter, Brea, CA). Вместо этого Дзета-потенциал определяют через теоретические модели и электрофоретическую подвижность. Электрическое поле применяют к частицам в растворе. Частицы будут двигаться к противоположно заряженному электроду. Частицы облучают лазерным светом и рассеивают из-за движения частиц. Обнаруженный рассеянный свет создает сдвиг частоты из падающего луча лазера. Сдвиг частоты может быть связан с подвижностью частиц с применением следующего уравнения:

Figure 00000002
.Electrophoretic light scattering is a technique used to determine the Zeta potential of charged particles in solution. Slip plane charge cannot be measured directly on the DELSA™ Nano C particle analyzer (Beckman Coulter, Brea, CA). Instead, the Zeta potential is determined through theoretical models and electrophoretic mobility. An electric field is applied to particles in solution. The particles will move towards the oppositely charged electrode. The particles are irradiated with laser light and scattered due to particle motion. The detected scattered light creates a frequency shift from the incident laser beam. The frequency shift can be related to particle mobility using the following equation:
Figure 00000002
.

ФИГ. 11A показывает данные подвижности для определения Дзета-потенциала для дисперсии углеродного материала, полученной согласно этому примеру, и ФИГ. 11B показывает таблицу, суммирующую данные и условия характеризации. Дзета-потенциал определяют как -63.93 мВ для дисперсии.FIG. 11A shows mobility data for determining the Zeta potential for the dispersion of carbon material obtained according to this example, and FIG. 11B shows a table summarizing data and characterization conditions. The zeta potential is defined as -63.93 mV for dispersion.

ПРИМЕР 5BEXAMPLE 5B

В этом примере углеродный материал, содержащий графен, получают с помощью, сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. In this example, graphene-containing carbon material is produced by shearing according to embodiments of the methods described herein.

Пропан используют в качестве доставленного газообразного органического соединения, минеральное масло используют в качестве жидкого органического соединения, и используют батарейный реактора со сдвигом. ФИГ. 12A показывает изображение SEM микронной графеновой пластинки, полученной согласно этому примеру. Данные EDS на ФИГ. 12B и показанные ниже в Таблице 3 суммируют атомные доли элементов. Propane is used as the delivered gaseous organic compound, mineral oil is used as the liquid organic compound, and a battery shift reactor is used. FIG. 12A shows an SEM image of a micron graphene wafer obtained according to this example. The EDS data in FIG. 12B and those shown below in Table 3 summarize the atomic fractions of the elements.

Таблица 3Table 3

Метка спектраSpectrum Label Концентрация
C (% атом.)
Concentration
C (% atom)
Концентрация
O (% атом.)
Concentration
O (% atom)
Общее количество
Концентрация (% атом.)
Total
Concentration (% atom)
Спектр 69Spectrum 69 99,5199.51 0,490.49 100,00100.00

Углеродный материал показал концентрацию кислорода 0,49% атом.The carbon material showed an oxygen concentration of 0.49% atom.

ПРИМЕР 5CEXAMPLE 5C

В этом примере углеродный материал, содержащий графен, получают с помощью, сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. In this example, graphene-containing carbon material is produced by shearing according to embodiments of the methods described herein.

Используют батарейный реактор со сдвигом, такой как на ФИГ. 19. В этом примере множество комбинаций газообразного органического соединения и жидкого органического соединения используют для получения углеродного материала: (i) пропан и минеральное масло, (ii) пропан и толуол и (iii) ацетилен и толуол, соответственно. Кристаллический графен получают в варианте (i) и микронный графитовый материал получают в вариантах (ii) и (iii).A stack reactor with a shift is used, such as in FIG. 19. In this example, a variety of combinations of a gaseous organic compound and a liquid organic compound are used to produce a carbonaceous material: (i) propane and mineral oil, (ii) propane and toluene, and (iii) acetylene and toluene, respectively. Crystalline graphene is obtained in option (i) and micron graphite material is obtained in options (ii) and (iii).

ПРИМЕР 6EXAMPLE 6

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением ультразвуковой кавитации, согласно вариантам осуществления способов, описанным в настоящем документе. Используют кавитационный реактор с ультразвуковым зондом, с применением рычага № 8 и 90% мощности. Способ проводят в течение 15 минут. Скорость впрыскивания газа или потока захвата необязательно составляет 14 л/мин. Используют следующие комбинации газообразного органического соединения и жидкого органического соединения: (i) пропан и толуол; (ii) пропан/E30 и Mobile-1, где E30 означает, что пропан был предварительно захвачен в Mobil-1 при 30 ф./кв.д. в баке под давлением; (iii) пропан/B и толуол, означающий, что пропан «барботирован» и (iv) ацетилен/B и толуол. «B» означает «барботированный». В варианте (i), (iii) и (iv), получают микронный графеновый углеродный материал. В варианте (ii), получают кристаллический графеновый материал. Поскольку все осуществляли при высоком сдвиге, сдвиг разбивает микронные графеноподобные пластинки на кристаллические (меньше чем 10 нм) частицы.In this example, a carbon material including graphene is produced using ultrasonic cavitation according to embodiments of the methods described herein. Use a cavitation reactor with an ultrasonic probe, using lever No. 8 and 90% power. The method is carried out for 15 minutes. The injection rate of the gas or entrainment flow is optionally 14 l/min. The following combinations of gaseous organic compound and liquid organic compound are used: (i) propane and toluene; (ii) Propane/E30 and Mobile-1, where E30 means the propane was pre-captured in Mobil-1 at 30 psi. in a pressure tank; (iii) propane/B and toluene meaning propane is "sparged"; and (iv) acetylene/B and toluene. "B" stands for "sparged". In option (i), (iii) and (iv), get micron graphene carbon material. In option (ii), a crystalline graphene material is obtained. Because everything was done at high shear, shear breaks the micron graphene-like slabs into crystalline (less than 10 nm) particles.

ПРИМЕР 7EXAMPLE 7

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с помощью многофункционального кавитационного реактора, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе, включая гидродинамическую кавитацию и сдвиг. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения, и минеральное масло используют в качестве жидкого органического соединения. Был сформирован кристаллический углеродный материал.In this example, a carbon material including graphene is produced using a multifunctional cavitation reactor, according to embodiments of the methods described herein, including hydrodynamic cavitation and shear. Propane is used as the gaseous organic compound, and mineral oil is used as the liquid organic compound. A crystalline carbon material was formed.

ПРИМЕР 8EXAMPLE 8

В этом примере продемонстрировано, что углеродный материал не формируется в отсутствие газообразного органического соединения при в другом эквивалентных условиях способа получения твердого углеродного материала.This example demonstrates that the carbon material is not formed in the absence of a gaseous organic compound under otherwise equivalent process conditions for producing a solid carbon material.

Твердый углеродный материал, такой как графен, получают с применением батарейного реактора со сдвигом с применением пропана в качестве газообразного органического соединения и Syn 530 в качестве жидкого органического соединения. При эквивалентных условиях, без доставки газообразного органического соединения, способ не дает твердый углеродный материал. Дисперсия полученного углеродного материала в Syn 530 приводит к сокращению следа изнашивания на 14,6% и уменьшению коэффициента трения на 64,5% относительно Syn 530, не содержащего углеродный материал.Solid carbon material such as graphene is produced using a shift stack reactor using propane as the gaseous organic compound and Syn 530 as the liquid organic compound. Under equivalent conditions, without delivering a gaseous organic compound, the process does not produce a solid carbon material. Dispersing the resulting carbon material in Syn 530 results in a 14.6% reduction in wear scar and a 64.5% reduction in coefficient of friction relative to Syn 530 containing no carbon material.

Твердый углеродный материал, такой как графен, получают с применением батарейного реактора со сдвигом с применением пропана в качестве газообразного органического соединения и MOBILE 1™ в качестве жидкого органического соединения. При эквивалентных условиях, без доставки газообразного органического соединения, способ не дает твердый углеродный материал. Дисперсия полученного углеродного материала в MOBILE 1™ приводит к сокращению следа изнашивания на 8% и уменьшению коэффициента трения на 31% относительно MOBILE 1™, не содержащего углеродного материала.Solid carbon material such as graphene is produced using a shift stack reactor using propane as the gaseous organic compound and MOBILE 1™ as the liquid organic compound. Under equivalent conditions, without delivering a gaseous organic compound, the process does not produce a solid carbon material. Dispersion of the resulting carbon material in MOBILE 1™ results in an 8% reduction in wear marks and a 31% reduction in coefficient of friction relative to MOBILE 1™ containing no carbon material.

ПРИМЕР 9EXAMPLE 9

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения. Множество жидких органических соединений используют в сочетании с пропаном: Syn 530, MOBILE 1™, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530 и высокоуглеродистое масло (HCO)/Базовое масло.In this example, a carbon material including graphene is produced using shear, according to embodiments of the methods described herein. Propane is used as a gaseous organic compound. A variety of organic liquids are used in combination with propane: Syn 530, MOBILE 1™, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530 and High Carbon Oil (HCO)/Base Oil.

Также в этом примере, уменьшение трения продемонстрировано с применением дисперсии углеродного материала в перечисленных выше органических жидкостях. В случае Syn 530 (см. ФИГ. 14), продемонстрировано снижение следа изнашивания на 14,6% и уменьшение коэффициента трения на 64,5% относительно Syn 530, не содержащего углеродный материал (т.е. относительно Syn 530, не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае MOBILE 1™ (см. ФИГ. 16), продемонстрировано снижение следа изнашивания на 8% и уменьшение коэффициента трения на 31% относительно MOBILE 1™ не содержащего углеродный материал (т.е. относительно MOBILE 1™ не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае AMSOIL™ (см. ФИГ. 15), продемонстрировано снижение следа изнашивания на 0% и уменьшение коэффициента трения на 12% относительно AMSOIL™ не содержащего твердый углеродный материал (т.е. относительно AMSOIL™ не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае NonSyn, Quaker 530, продемонстрировано снижение следа изнашивания на 3% и уменьшение коэффициента трения на 19% относительно NonSyn, Quaker, не содержащего углеродный материал (т.е. относительно NonSyn, Quaker, не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае HCO/Основного масла, продемонстрировано снижение следа изнашивания на 7% и уменьшение коэффициента трения на 13% относительно HCO/Основного масла не содержащего углеродный материал (т.е. относительно HCO/Основного масла, не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру).Also in this example, friction reduction is demonstrated using a dispersion of carbon material in the organic fluids listed above. In the case of Syn 530 (see FIG. 14), a wear scar reduction of 14.6% and a friction coefficient reduction of 64.5% were demonstrated relative to Syn 530 without carbon material (i.e. relative to Syn 530 not used in method for producing hard carbon material according to this example). In the case of MOBILE 1™ (see FIG. 16), an 8% reduction in wear footprint and a 31% reduction in coefficient of friction was demonstrated relative to MOBILE 1™ not containing carbon material (i.e. relative to MOBILE 1™ not used in the hardening process). carbon material according to this example). In the case of AMSOIL™ (see FIG. 15), a 0% reduction in wear footprint and a 12% reduction in coefficient of friction was demonstrated relative to AMSOIL™ not containing hard carbon material (i.e. relative to AMSOIL™ not used in the hard carbon material process). according to this example). NonSyn, Quaker 530 demonstrated a 3% reduction in wear scar and a 19% reduction in coefficient of friction relative to NonSyn, Quaker containing no carbon material (i.e., relative to NonSyn, Quaker not used in the hard carbon material production process according to this example). In the case of HCO/Base oil, a 7% reduction in wear scar and a 13% reduction in friction coefficient relative to HCO/Base oil without carbon material (i.e. relative to HCO/Base oil not used in the hard carbon material production method according to this example).

ПРИМЕР 10EXAMPLE 10

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения, и сероуглерод используют в качестве жидкого органического соединения. ФИГ. 13A показывает изображение SEM углеродного материала, сформированного согласно способу этого примера. ФИГ. 13A помечена квадратом № 78 и квадратом № 79. ФИГ. 13B показывает данные EDS, соответствующие материалу в квадрате 78 (Спектр 78) и квадрате 79 (Спектр 79). В Таблица 4 суммированы атомные доли элементов.In this example, a carbon material including graphene is produced using shear, according to embodiments of the methods described herein. Propane is used as the gaseous organic compound, and carbon disulfide is used as the liquid organic compound. FIG. 13A shows an SEM image of a carbon material formed according to the method of this example. FIG. 13A is labeled with box #78 and box #79. FIG. 13B shows EDS data corresponding to the material in box 78 (Spectrum 78) and box 79 (Spectrum 79). Table 4 summarizes the atomic fractions of the elements.

Таблица 4Table 4

Концентрация (% атом.)Concentration (% atom) Метка спектраSpectrum Label CC OO NaNa Mgmg SiSi SS FeFe CuCu ZnZn BrBr Snsn Общее количествоTotal Спектр 78Spectrum 78 90,0990.09 7,297.29 0,230.23 0,030.03 0,500.50 1,331.33 0,270.27 0,230.23 0,030.03 100,00100.00 Спектр 79Spectrum 79 47,6747.67 4,424.42 0,580.58 15,2515.25 1,501.50 27,8527.85 2,102.10 0,630.63 100,00100.00

Как видно из Таблицы 3, сформированный углеродный материал содержит композитный материал углерода-серы в квадрате 79. Соединение имеет примерно 48% атом. углерода и 15% атом. серы.As can be seen from Table 3, the formed carbon material contains a carbon-sulfur composite material in square 79. The compound has approximately 48% atom. carbon and 15% atom. sulfur.

ПРИМЕР 11АEXAMPLE 11A

В этом примере получают углеродный материал, включающий графен, с применением ультравысокого сдвига с применением Ross Model HSM-703X-20 Inline High Shear Mixer, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе, такого как реактор со сдвигом с ФИГ. 18. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения, и минеральное масло используют в качестве жидкого органического соединения. Используют давление впрыскивания газа 50 ф./кв.д., реактор со сдвигом запускают при 10000 об/мин, и способ синтеза проводят в течение 15 минут.In this example, a graphene-incorporating carbon material is prepared using ultra-high shear using a Ross Model HSM-703X-20 Inline High Shear Mixer, according to embodiments of the methods described herein, such as the shear reactor of FIG. 18. Propane is used as the gaseous organic compound and mineral oil is used as the liquid organic compound. A gas injection pressure of 50 psi was used, the shift reactor was started at 10,000 rpm, and the synthesis process was carried out for 15 minutes.

Углеродная дисперсия в минеральном масле, полученную в этом примере, характеризуют через Дзета-потенциал -51 мВ (например, -50,68 мВ), как показано на ФИГ. 17A-17B.The mineral oil carbon dispersion obtained in this example is characterized by a Zeta potential of -51 mV (eg -50.68 mV) as shown in FIG. 17A-17B.

Следующее описание способов характеризации и условий относится к Примеру 11А и Примеру 11B:The following description of characterization methods and conditions applies to Example 11A and Example 11B:

Оборудование для тестирования: прибор для тестирования, применяемый для проведения анализа Дзэта потенциала, DELSA™Nano C Nanoparticle Size and Zeta Potential Analyzer (Beckman Coulter, Brea, CA). DELSA™Nano C использует способы фотонной корреляционной спектроскопии (PCS) и электрофоретического светорассеяния для определения размера частиц и Дзэта потенциала материалов. Предлагая превосходную степень точности, разрешения и воспроизводимости, DELSA™Nano C разработан для упрощения анализов субмикронных частиц и Дзэта потенциала. DELSA™Nano C обеспечивает точное измерение размера в диапазоне от 0,6 нм до 7 мкм при концентрации образца от 0,001% до40%. Он может проводить анализ водных и не водных образцов.Ю а также определять Дзэта-потенциалы твердых поверхностей и мембран. Он служит во множестве областей применения в промышленности, таких как нанотехнологии, электроника, фармацевтика, чернила, еда & напитки, биомедицина, текстиль.Test Equipment: Zeta Potential Analyzer, DELSA™ Nano C Nanoparticle Size and Zeta Potential Analyzer (Beckman Coulter, Brea, CA). DELSA™Nano C uses photon correlation spectroscopy (PCS) and electrophoretic light scattering techniques to determine particle size and Zeta potential of materials. Offering an excellent degree of accuracy, resolution and reproducibility, the DELSA™ Nano C is designed to simplify submicron particle and Zeta potential analysis. DELSA™Nano C provides accurate size measurement in the range of 0.6 nm to 7 µm at sample concentrations from 0.001% to 40%. It can analyze aqueous and non-aqueous samples, as well as determine the Zeta potentials of solid surfaces and membranes. It serves in a variety of industrial applications such as nanotechnology, electronics, pharmaceuticals, inks, food & beverage, biomedicine, textiles.

Частицы, суспендированные в жидкостях, находятся в Броуновском движении из-за случайных столкновений с молекулами растворителя. Это движение заставляет частицы диффундировать через среду. Коэффициент диффузии, D, обратно пропорционален размеру частиц согласно уравнению Стоукса-Эйнштейна:

Figure 00000001
, где D является константой диффузии, kB является константой Больцмана, T является абсолютной температурой, ƞ0 является вязкостью и d является диаметром сферической частицы.Particles suspended in liquids are in Brownian motion due to random collisions with solvent molecules. This movement causes the particles to diffuse through the medium. The diffusion coefficient, D, is inversely proportional to particle size according to the Stokes-Einstein equation:
Figure 00000001
, where D is the diffusion constant, k B is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, ƞ 0 is the viscosity, and d is the diameter of the spherical particle.

Фотонная корреляционная спектроскопия, иногда также называемая динамичное светорассеяние, является методикой, используемой для определения коэффициента диффузии мелких частиц в жидкости. Коэффициент определяют путем точного измерения интенсивности светорассеяния частиц как функции от времени. Так как частицы, представляющие интерес, диффундируют через образец ячейки из-за Броуновского движения, падающий луч лазерного света облучает частицы. Частицы рассеивают свет, производя колебания интенсивности рассеяния как функции от времени. Рассеянный свет собирают под выбранным углом и измеряют высокочувствительным датчиком. Так как скорость диффузии частиц определяется их размером, информация об их размере содержится в скорости колебания светорассеяния. Колебания интенсивности собирают в виде импульсов фотона и коррелируют для создания функции аутокорреляции (ACF). Коэффициент диффузии определяют подгонкой ACF с применением способа Cumulants, из которого средний размер получают с применением уравнения Стоукса-Эйнштейна.Photon correlation spectroscopy, sometimes also called dynamic light scattering, is a technique used to determine the diffusion coefficient of small particles in a liquid. The coefficient is determined by accurately measuring the light scattering intensity of the particles as a function of time. As the particles of interest diffuse through the sample cell due to Brownian motion, the incident laser light beam irradiates the particles. Particles scatter light, producing fluctuations in scattering intensity as a function of time. Scattered light is collected at a selected angle and measured with a highly sensitive sensor. Since the rate of diffusion of particles is determined by their size, information about their size is contained in the rate of oscillation of light scattering. The intensity fluctuations are collected as photon pulses and correlated to create an autocorrelation function (ACF). The diffusion coefficient is determined by fitting the ACF using the Cumulants method, from which the average size is obtained using the Stokes-Einstein equation.

Дзета-потенциал является мерой электрического потенциала в плоскости скольжения в двойном слое, окружающем частицу, суспендированную в растворе. Двойной слой состоит из слоя Штерна и диффузного слоя. В слое Штерна ионы с противоположным зарядом поверхностных частиц привлечены к частице. При увеличении расстояния от поверхности частицы, противоположно заряженные ионы становятся более диффузными. Точка, где ионы начинают диффундировать в окружающую среду, называют плоскостью скольжения, так как сильно привлеченные ионы будут двигаться с частицей в Броуновском движении. Дзета-потенциал измеряют на плоскости скольжения. Дзета-потенциал может использоваться в качестве меры стабильности частицы в растворе. Частицы с Дзета-потенциалом, больше, чем +/-20 мВ считаются стабильными, поскольку заряд предохраняет частицы от агломерации. Наоборот, частицы с Дзета-потенциалом ближе к 0 мВ имеют тенденцию сталкиваться и формировать большие агломераты.The zeta potential is a measure of the electric potential in the glide plane in the double layer surrounding a particle suspended in solution. The double layer consists of a Stern layer and a diffuse layer. In the Stern layer, ions with the opposite charge of surface particles are attracted to the particle. As the distance from the particle surface increases, oppositely charged ions become more diffuse. The point where the ions begin to diffuse into the environment is called the slip plane, since the strongly attracted ions will move with the particle in Brownian motion. The zeta potential is measured on the glide plane. The zeta potential can be used as a measure of the stability of a particle in solution. Particles with a Zeta potential greater than +/-20 mV are considered stable because the charge keeps the particles from agglomerating. Conversely, particles with a Zeta potential closer to 0 mV tend to collide and form large agglomerates.

Электрофоретическое светорассеяние является способом, используемым для определения Дзета-потенциала заряженных частиц в растворе. Заряд на плоскости скольжения не может измеряться непосредственно на анализаторе DELSA™Nano C. Вместо этого Дзета-потенциал определяют через теоретические модели и электрофоретическую подвижность. Электрическое поле применяют к частицам в растворе. Частицы будут двигаться к противоположно заряженному электроду. Частицы облучают лазерным светом и рассеивают из-за движения частиц. Обнаруженный рассеянный свет создает сдвиг частоты из падающего луча лазера. Сдвиг частоты может быть связан с подвижностью частиц с применением следующего уравнения: Electrophoretic light scattering is a technique used to determine the Zeta potential of charged particles in solution. The slip plane charge cannot be measured directly on the DELSA™ Nano C analyzer. Instead, the Zeta potential is determined through theoretical models and electrophoretic mobility. An electric field is applied to particles in solution. The particles will move towards the oppositely charged electrode. The particles are irradiated with laser light and scattered due to particle motion. The detected scattered light creates a frequency shift from the incident laser beam. The frequency shift can be related to particle mobility using the following equation:

Figure 00000003
, где D является частотой сдвига частиц, U является подвижностью частиц, q является вектором рассеивание, λ является длиной волны падающего света, n является показателем преломления среды, и θ является углом рассеивания. Зная подвижность, уравнение Смолучовски можно применить для того, чтобы найти Дзета-потенциал.
Figure 00000004
, где ε0 и εr являются диэлектрическими константами в вакууме и среде, соответственно.
Figure 00000003
, where D is the particle shear frequency, U is the particle mobility, q is the scattering vector, λ is the wavelength of the incident light, n is the refractive index of the medium, and θ is the scattering angle. Knowing the mobility, the Smoluchowski equation can be applied to find the Zeta potential.
Figure 00000004
, where ε0 and εr are the dielectric constants in vacuum and medium, respectively.

В дополнение к измерению Дзэта потенциала частиц в растворе, также может быть определен Дзэта потенциал твердой поверхности. Те же принципы, используемые для измерения Дзета-потенциала частицы, используют для ровной поверхности. Специально разработанную Flat Surface Cell применяют для удерживания твердых образцов. Процедура измерения Дзета-потенциала твердой поверхности подобна типовому измерению Дзета-потенциала для частиц. Измерения проводят с применением динамического светорассеяния заряженных пробных частиц под влияниями и электроосмоса и электрофореза. Истинный электроосмотический поток из-за Дзета-потенциала твердой поверхности получают вычитанием истинной электрофорезной подвижности из полного явного электроосмотического потока заряженных пробных частиц.In addition to measuring the Zeta potential of particles in solution, the Zeta potential of a solid surface can also be determined. The same principles used to measure the Zeta potential of a particle apply to a flat surface. A specially designed Flat Surface Cell is used to hold solid samples. The procedure for measuring the Zeta potential of a solid surface is similar to the typical measurement of the Zeta potential for particles. Measurements are carried out using dynamic light scattering of charged test particles under the influence of both electroosmosis and electrophoresis. The true electroosmotic flow due to the Zeta potential of the solid surface is obtained by subtracting the true electrophoretic mobility from the total apparent electroosmotic flow of charged test particles.

Условия тестирования и параметры: До анализа Дзета-потенциала образец смешивают, и примерно 5 мл образца центрифугируют при 3000 об/мин в течение 20 минут. ~1 мл аликвоту берут с верха центрифугированного образца и используют для анализа. Для определения Дзета-потенциала образец анализируют с Flow Cell с помощью электрофоретического светорассеяния. Эталонные значения из литературы 1,467 для показателя преломления разбавляющего масла [Ref. 1], 19,1 сP для вязкости разбавляющего масла [Ref. 2], и 2.1 для диэлектрической константы масла [Ref. 3], используют для анализа экспериментальные данные и расчета Дзета-потенциала. В Таблице 5 суммированы условия тестирования и параметры тестирования. Test Conditions and Parameters: Prior to Zeta potential analysis, the sample is mixed and about 5 ml of the sample is centrifuged at 3000 rpm for 20 minutes. ~1 ml aliquot is taken from the top of the centrifuged sample and used for analysis. To determine the Zeta potential, the sample is analyzed with a Flow Cell using electrophoretic light scattering. Reference values from the literature 1.467 for the refractive index of the diluting oil [Ref. 1], 19.1 cP for dilution oil viscosity [Ref. 2], and 2.1 for the dielectric constant of oil [Ref. 3], they use experimental data for analysis and calculation of the Zeta potential. Table 5 summarizes the test conditions and test parameters.

Таблица 5. Условия испытания дзета-потенциала и параметрыTable 5 Zeta Potential Test Conditions and Parameters

ОбразецSample Один образец легкого минерального масла с графеном нефтяной экземпляр легкого минерала с графеномOne sample of light mineral oil with graphene oil sample of light mineral with graphene Испытательный приборTest instrument DELSA™Nano CDELSA™ Nano C МетодикаMethodology Электрофоретическое светорассеяниеElectrophoretic light scattering Ячейка измеренияDimension cell Flow cellflow cell Показатель преломления разбавителяRefractive index of diluent 1,4671.467 Вязкость разбавителяThinner viscosity 19,1 сP19.1 cP Диэлектрическая константа разбавителяDielectric constant of diluent 2,12.1 Температура тестированияTest temperature 25°C25°C Комнатная температураRoom temperature 22,8°C (73°F)22.8°C (73°F) ВлажностьHumidity 40% ОВ40% RH

Ссылки для примеров 11А и 11B: Links for examples 11A and 11B:

1. Millipore Sigma (2019). Liquid Refractive Index-Mineral Oil. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/nist1922?lang=en&region=US1. 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 a food additive on request from the European Commission. EFSA Journal, 2009;7(11):1387.2. EFSA Panel on Food Additives and Nutrient Sources added to Food (ANS); Scientific Opinion on the use of high viscosity white mineral oils as a food additive on request from the European Commission. EFSA Journal , 2009;7(11):1387.

3. Honeywell (2019). Dielectric Constant Table. www.honeywellprocess.com3 Honeywell (2019). Dielectric Constant Table. www.honeywellprocess.com

ПРИМЕР 11BEXAMPLE 11B

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе, таким как реактор со сдвигом с ФИГ. 18. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения и масло MOBILE 1™ используют в качестве жидкого органического соединения. Используют давление впрыскивания газа 30 ф./кв.д., реактор со сдвигом запускают при 12000 об/мин, и способ синтеза проводят в течение 15 минут.In this example, a carbon material including graphene is produced using shear, according to embodiments of the methods described herein, such as the shear reactor of FIG. 18. Propane is used as the gaseous organic compound and MOBILE 1™ oil is used as the liquid organic compound. A gas injection pressure of 30 psi was used, the shift reactor was started at 12,000 rpm, and the synthesis process was carried out for 15 minutes.

Углеродную дисперсию в MOBILE 1™, полученную в этом примере характеризуют Дзета-потенциалом -64 мВ (например, -63,93 мВ).The carbon dispersion in MOBILE 1™ obtained in this example is characterized by a Zeta potential of -64 mV (eg -63.93 mV).

ПРИМЕР 12АEXAMPLE 12A

Этот пример описывает реакторы с механическим перемешиванием, которые могут также быть описаны как высокотемпературные, реакторы высокого давления (SHTHPTR). ФИГ. 23 иллюстрирует типовой реактор с механическим перемешиванием, который совместим со способами, описанными в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Реактор с механическим перемешиванием или SHTHPTR, с ФИГ. 23 облегчает газожидкостный массообмен между газом на основе углерода и жидкостью на основе углерода для создания химической реакции, которая может дать графен или графеноподобный материал, функционализировать графеновый материал или облегчить создание графеноподобного композиционного материала. В этом реакторе синтезирующий газ диспергирован в мелкие пузыри для растворения в жидкости. Меньшие пузыри имеют большую площадь поверхности и таким образом облегчают газожидкостный массообмен.This example describes mechanically stirred reactors, which can also be described as high temperature, high pressure reactors (SHTHPTR). FIG. 23 illustrates a typical mechanically stirred reactor that is compatible with the methods described herein, in accordance with certain embodiments. Stirred reactor or SHTHPTR, of FIG. 23 facilitates gas-liquid mass transfer between a carbon-based gas and a carbon-based liquid to create a chemical reaction that can produce graphene or a graphene-like material, functionalize a graphene material, or facilitate the creation of a graphene-like composite material. In this reactor, the synthesis gas is dispersed into small bubbles to dissolve in the liquid. Smaller bubbles have a larger surface area and thus facilitate gas-liquid mass transfer.

Реакторы с механическим перемешиванием, которые могут применяться так же, как реакторы газожидкостного массообмена согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе, включают реакторы с механическим перемешиванием, которые могут быть разделены на турбинные, монолитные или пенные реакторы. Stirred reactors, which can be used in the same way as gas-liquid mass transfer reactors according to the embodiments described herein, include mechanically stirred reactors, which can be divided into turbine, monolithic or foam reactors.

Обычно низкая растворимость органического газа в углеродной жидкости может быть улучшена работой реактора, такого как реактор газожидкостного массообмена с механическим перемешиванием с ФИГ. 23, при повышенном давлении, например, от 6 бар (примерно 87 ф./кв.д.) до 150 бар (примерно 2175 ф./кв.д.). Рабочая температура реактора как правило, находится в диапазоне от 20°C до 250°C (например, от 20°C до 200°C, от 20°C до 150°C, от 20°C до 100°C, от 30°C до 250°C, от 30°C до 200°C, от 30°C до 150°C, от 30°C до 100°C, от 40°C до 250°C, от 40°C до 200°C, от 40°C до 150°C, от 40°C до 100°C, от 50°C до 250°C, от 50°C до 200°C, от 50°C до 150°C, от 50°C до 100°C, от 50°C до 90°C или от 60°C до 100°C).Generally, the low solubility of the organic gas in the carbon liquid can be improved by the operation of a reactor such as the mechanically agitated gas-liquid mass transfer reactor of FIG. 23 at elevated pressures, for example, from 6 bar (about 87 psi) to 150 bar (about 2175 psi). The operating temperature of the reactor is typically in the range of 20°C to 250°C (e.g. 20°C to 200°C, 20°C to 150°C, 20°C to 100°C, 30°C to C to 250°C, 30°C to 200°C, 30°C to 150°C, 30°C to 100°C, 40°C to 250°C, 40°C to 200°C , 40°C to 150°C, 40°C to 100°C, 50°C to 250°C, 50°C to 200°C, 50°C to 150°C, 50°C up to 100°C, 50°C to 90°C or 60°C to 100°C).

Реактор газожидкостного массообмена с механическим перемешиванием, такой как на ФИГ. 23, содержит мешалку. Не желая быть связанным какой-либо теорией, полагают, что реакции органический газ-органическая жидкость имеют ограниченный массообмен. Таким образом, система перемешивания важна для: (1) усиления обмена масса/жидкость, (2) усиления теплопередачи, ускоряющей химическую реакцию, и (3) гомогенизации смеси газ/жидкость для предотвращения неравномерных профилей температуры и концентрации во время процесса реакции. Мешалка является важным компонентом высокотемпературного реактора с механическим перемешиванием под высоким давлением, и может быть нескольких типов, включая, но не ограничиваясь ими: мешалка Rushton/турбина, монолитная мешалка, спиральная мешалка, мешалка с радиальными пластинами, крылатка с плоскими лопастями, аксионный пропеллер, угловые лопасти, турбинная вихревая мешалка, нескольких мешалок на одном стержне.A gas-liquid mass transfer reactor with mechanical agitation, such as in FIG. 23 contains a stirrer. Without wishing to be bound by any theory, it is believed that organic gas-organic liquid reactions have limited mass transfer. Thus, the agitation system is important to: (1) enhance mass/liquid exchange, (2) enhance heat transfer to speed up the chemical reaction, and (3) homogenize the gas/liquid mixture to prevent uneven temperature and concentration profiles during the reaction process. The agitator is an important component of a high temperature, high pressure mechanically agitated reactor, and can be of several types, including but not limited to: Rushton agitator/turbine, monolithic agitator, helical agitator, radial plate agitator, flat impeller, axion propeller, angled blades, turbine vortex mixer, several mixers on one rod.

Предпочтительно, но не обязательно, мешалка, используемая для увеличения газожидкостного массообмена, является газ-индуцирующей мешалкой, такой, как показана на ФИГ. 24. Эта высокоэффективная крылатка диспергирует углеродный газ в верхнем пространстве реактора на очень мелкие газовые пузыри и таким образом создает чрезвычайно большую область раздела между газом и жидкостью. Preferably, but not necessarily, the agitator used to increase gas-liquid mass transfer is a gas-inducing agitator such as shown in FIG. 24. This highly efficient impeller disperses the carbon gas in the upper space of the reactor into very fine gas bubbles and thus creates an extremely large gas-liquid interface.

Газ-индуцирующая крылатка, используемая в этом примере, содержит полый стержень крылатки из нержавеющей стали с маленьким миллиметровым впускным отверстием для газа в верхней части стержня крылатки в верхнем пространстве смесительного сосуда. Газ в верхнем пространстве всасывается в корпус крылатки и затем диспергируется в жидкую фазу через порты газовой дисперсии (выход) в крылатках, расположенных на конце каждой из 4 лопастей крылатки. Эту крылатку устанавливают в SHTHPTR (ФИГ. 23) с электрической или пневматической мешалкой для обеспечения непрерывного вращения для длительных прогонов. Чем выше скорость перемешивания, тем выше вакуум и выше движущая сила. Для максимального всасывания через газовые порты, крылатка может обычно работать в диапазоне 100-3000 об/мин (например, 600-2000 об/мин, 1000-1200 об/мин, 100-600 об/мин). Крылатки могут быть куплены у любого подходящего поставщика, такого как Parr Instrument Company (Moline, IL).The gas-inducing impeller used in this example comprises a hollow stainless steel impeller shaft with a small 1mm gas inlet at the top of the impeller shaft in the upper space of the mixing vessel. The gas in the upper space is sucked into the body of the lionfish and then dispersed into the liquid phase through the gas dispersion ports (exit) in the lionfish located at the end of each of the 4 blades of the lionfish. This impeller is installed in the SHTHPTR (FIG. 23) with an electric or pneumatic agitator to provide continuous rotation for long runs. The higher the stirring speed, the higher the vacuum and the higher the driving force. For maximum suction through the gas ports, the lionfish can typically be operated in the 100-3000 rpm range (eg 600-2000 rpm, 1000-1200 rpm, 100-600 rpm). Lionfish can be purchased from any suitable supplier such as Parr Instrument Company (Moline, IL).

ПРИМЕР 12BEXAMPLE 12B

В этом примере графеноподобный материал получают и характеризуют с применением реактора с механическим перемешиванием, такого как на ФИГ. 23. ФИГ. 25 показывает SEM, показывающий графеноподобный материал с небольшим количеством слоев, полученный в высокотемпературном, реакторе с механическим перемешиванием высокого давления (например, ФИГ. 23) через впрыскивание газообразного пропана в жидкий толуол в течение 30 минут при давлении 80 ф./кв.д. и температуре 60°C. Полученный твердый углеродный материал является графеноподобным материалом (ФИГ. 25), а не аморфным углеродом.In this example, a graphene-like material is produced and characterized using a mechanically stirred reactor such as in FIG. 23. FIG. 25 shows an SEM showing a graphene-like material with few layers produced in a high temperature, high pressure mechanically stirred reactor (e.g., FIG. 23) via injecting propane gas into liquid toluene for 30 minutes at 80 psi. and temperature 60°C. The resulting solid carbon material is a graphene-like material (FIG. 25) rather than amorphous carbon.

Параметры технологического резервуара для этого примера включают: резервуар диаметром 9” (22,86 см), содержащий 2 литра толуола и крылатку диаметром 4” (10,16 см), вращающуюся при 3000 об/мин в течение 30 минут. Отношение диаметра крылатки к диаметру резервуара (D/T) составляет 0,44. Сдвиг, созданный крылаткой в реакторе с перемешиванием, в основном определяется отношением диаметра крылатки к диаметру резервуара (D/T). Для способа по изобретению, отношение D/T, как правило, находится в диапазоне от 0,1 до 0,6, предпочтительно, от 0,2 до 0,5. Крылатки с низким D/T могут дать высокий сдвиг при более низких об./мин, в то время как конфигурации с высоким D/T, как правило, работают при более высоких об./мин, и вызывают низкий сдвиг, но большее смешивание. В способе по изобретению было обнаружено, что низкое отношение D/T желательно, потому что целью является не смешивание, а скорее максимизация передачи газа через высокий, сдвиг.Process vessel parameters for this example include: a 9" (22.86 cm) diameter vessel containing 2 liters of toluene and a 4" (10.16 cm) impeller rotating at 3000 rpm for 30 minutes. The ratio of impeller diameter to reservoir diameter (D/T) is 0.44. The shear created by the impeller in a stirred reactor is mainly determined by the ratio of impeller diameter to vessel diameter (D/T). For the process of the invention, the D/T ratio is generally in the range of 0.1 to 0.6, preferably 0.2 to 0.5. Low D/T impellers can produce high shear at lower rpm, while high D/T configurations tend to operate at higher rpm and cause low shear but more mixing. In the process of the invention, it has been found that a low D/T ratio is desirable because the goal is not mixing, but rather maximizing gas transfer through high shear.

ПРИМЕР 12CEXAMPLE 12C

В этом примере дисперсию подобного графену материала в высокоуглеродистом масле без присадок получают с применением реактора с механическим перемешиванием, такого как реактор с ФИГ. 23. В этом примере, дисперсию используют для смазывания, и свойства смазывания сравнивают с таковыми для того же масла без графеноподобного материала. Высокоуглеродистое масло обрабатывают в течение 40 минут с впрыскиваемым пропаном при 30 ф./кв.д. при температуре 60°C. В Таблице 6 показано улучшение смазывания с применением полученной дисперсии по сравнению с маслом до получения графеноподобного материала. In this example, a dispersion of a graphene-like material in a high-carbon oil without additives is made using a mechanically stirred reactor, such as the reactor of FIG. 23. In this example, the dispersion is used for lubrication and the lubrication properties are compared with those of the same oil without the graphene-like material. The high carbon oil is treated for 40 minutes with propane injection at 30 psi. at 60°C. Table 6 shows the improvement in lubrication using the resulting dispersion compared to oil to obtain a graphene-like material.

Таблица 6Table 6

След износаWear marks Коэффициент тренияFriction coefficient Без графенаGraphene free 11 0,1150.115 С графеном in situWith graphene in situ 0,840.84 0,1010.101 % Улучшения% Improvement 19%19% 14%14%

ПРИМЕР 13EXAMPLE 13

Этот пример демонстрирует восстановление оксида графена (GO) до восстановленного оксида графена (rGO), согласно определенным вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. This example demonstrates the reduction of graphene oxide (GO) to reduced graphene oxide (rGO), according to certain embodiments of the methods described herein.

Ключевой темой в исследовании и применениях оксида графена (GO) является восстановление GO до восстановленного оксида графена (rGO). Недостатком большинства процессов, используемых для превращения GO в rGO, является снижения качества графена. Это вызвано тем, что дефекты решетки и функциональные группы, присоединенные к поверхности и краям, не могут быть полностью удалены во время стадии окислительного восстановления. Также проблемой является то, что, сильные окислители, жидкие отходы и органические растворители, используемые в процессе восстановления, поднимают экологические вопросы. Наоборот, определенные способы, описанные в настоящем документе, намного более просты и не ставят под угрозу качество графена или не требуют экологически опасных химикатов. A key topic in the research and applications of graphene oxide (GO) is the reduction of GO to reduced graphene oxide (rGO). The disadvantage of most of the processes used to convert GO to rGO is that the quality of the graphene is reduced. This is because lattice defects and functional groups attached to the surface and edges cannot be completely removed during the redox step. Also a problem is that the strong oxidizers, liquid wastes and organic solvents used in the recovery process raise environmental issues. On the contrary, certain methods described herein are much simpler and do not compromise the quality of graphene or do not require environmentally hazardous chemicals.

ФИГ. 26-27 показывают восстановление GO до rGO с применением батарейного сдвига для барботирования пропана в GO, диспергированный в полярном растворителе N-метил-2-пирролидоне (NMP). Этот процесс дает сокращение атомарного кислорода в GO с 34% до 20%, что увеличивает отношение C/O с 1,76 до 3,81. Углерод, добавленный к GO, поступает из дополнительного углерода, созданного в процессе газожидкостного массообмена. На ФИГ. 26 и в Таблице 7 суммированы атомные доли элементов в оксиде графена.FIG. 26-27 show the reduction of GO to rGO using battery shift to sparge propane into GO dispersed in the polar solvent N -methyl-2-pyrrolidone (NMP). This process results in a reduction in atomic oxygen in GO from 34% to 20%, which increases the C/O ratio from 1.76 to 3.81. The carbon added to GO comes from additional carbon created during the gas-liquid mass transfer process. FIG. 26 and Table 7 summarize the atomic fractions of elements in graphene oxide.

Таблица 7Table 7

Концентрация (% атом.)Concentration (% atom) Метка спектраSpectrum label CC OO NaNa SiSi ClCl KK Общее количествоTotal 2 293 GO 1550x область 12 293 GO 1550x region 1 64,1864.18 34,7434.74 0,170.17 0,120.12 0,670.67 0,120.12 100,00100.00 2 293 GO 1500x область 22 293 GO 1500x region 2 64,5164.51 34,3934.39 0,170.17 0,130.13 0,660.66 0,130.13 100,00100.00

На ФИГ. 27 и в Таблице 8 суммированы атомные доли элементов в восстановленном оксиде графена (восстановленном оксиде графена с ФИГ. 26).FIG. 27 and Table 8 summarize the atomic fractions of elements in reduced graphene oxide (reduced graphene oxide of FIG. 26).

Таблица 8Table 8

Концентрация (% атом.)Concentration (% atom) Метка спектраSpectrum Label CC OO Mgmg SiSi SS ClCl CaCa CuCu ZnZn PbPb Общее количествоTotal Область 1Region 1 74,0574.05 20,7820.78 0,320.32 0,330.33 0,150.15 0,190.19 2,612.61 0,610.61 0,400.40 0,560.56 100,00100.00 Область 2Region 2 74,8374.83 19,5919.59 0,350.35 0,410.41 0,110.11 0,210.21 2,812.81 0,670.67 0,350.35 0,660.66 100,00100.00

ПРИМЕР 14АEXAMPLE 14A

В этом примере графен имеет окисленный край, как пример функционализации in situ графена, согласно определенным вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.In this example, graphene has an oxidized edge as an example of in situ functionalization of graphene, according to certain embodiments described herein.

Графен с окисленным краем является антитезой восстановления графена. Вместо удаления кислорода его законно добавляют. Основная причина добавления кислорода к чистому графену состоит в том, чтобы сделать графен диспергируемым в воде. Это не простая задача, потому что высококачественный графен имеет очень немного дефектов, делающих графен гидрофобным. Дилемма заключается в том, что для диспергирования графена в воде он должен иметь дефектные места. В настоящее время наиболее распространенным способом получения водных графеновых дисперсий с низким содержанием кислорода является прививка нескольких химических групп на ограниченные дефектные места на чистом графене. Edge-oxidized graphene is the antithesis of graphene reduction. Instead of removing oxygen, it is legally added. The main reason for adding oxygen to pure graphene is to make the graphene water-dispersible. This is not an easy task because high quality graphene has very few defects that make graphene hydrophobic. The dilemma is that for graphene to be dispersed in water, it must have defective sites. At present, the most common way to obtain aqueous graphene dispersions with low oxygen content is to graft several chemical groups onto limited defect sites on pure graphene.

Этот пример демонстрирует безвредный для окружающей среды процесс мягкого окисления высококачественного графена. Реакторы газожидкостного массообмена могут использоваться для получения «слабого» окисления графена способом, позволяющим избежать значительного повреждения решетки графеновых пластинок. Минимальное повреждение дает графен, который растворим в воде без любых поверхностно-активных веществ или добавок. Барботирование кислорода с обработкой ультразвуком также понижает поверхностное натяжение воды до примерно 42, что является близким к совпадению с поверхностным натяжением графита. Специалисты в данной области техники знают, что жидкостное расслоение облегчается, когда поверхностное натяжение жидкости близко к поверхностному натяжению графита. Однако использование барботирования кислорода для понижения поверхностного натяжения воды в целях жидкостного расслоения не сообщается. Этот процесс не требует использования поверхностно-активных веществ, водно/спиртовых смесей или дорогих экологически опасных растворителей. Идея насыщения кислородом, понижающего поверхностное натяжение воды, поддерживается недавним молекулярным моделированием динамики (см., например, Jain, et al., AIP Advances, 2017, 7, 045001).This example demonstrates the environmentally friendly process of mild oxidation of high quality graphene. Gas-liquid mass transfer reactors can be used to obtain "weak" oxidation of graphene in a way that avoids significant damage to the lattice of graphene plates. Minimal damage is provided by graphene, which is soluble in water without any surfactants or additives. Oxygen bubbling with sonication also lowers the surface tension of water to about 42, which is close to matching the surface tension of graphite. Those skilled in the art will recognize that liquid separation is facilitated when the surface tension of the liquid is close to the surface tension of the graphite. However, the use of oxygen sparging to lower the surface tension of water for liquid separation is not reported. This process does not require the use of surfactants, water/alcohol mixtures or expensive, environmentally hazardous solvents. The idea of oxygen saturation lowering the surface tension of water is supported by recent molecular dynamics modeling (see, for example, Jain, et al., AIP Advances , 2017, 7, 045001).

Анализ EDS на ФИГ. 28-29 показывает, что после 1 часа обработки чистого графена с кислородом, впрыскиваемым в гидродинамический кавитационный реактор, кислород на графене повышается с ~0,5% до ~6% и графен становится водорастворимым. На ФИГ. 28 и в Таблице 9 суммированы атомные доли элементов в чистом графене. EDS analysis in FIG. 28-29 shows that after 1 hour of treatment of pure graphene with oxygen injected into the hydrodynamic cavitation reactor, the oxygen on the graphene rises from ~0.5% to ~6% and the graphene becomes water soluble. FIG. 28 and Table 9 summarize the atomic fractions of elements in pure graphene.

Таблица 9Table 9

Концентрация (% атом.)Concentration (% atom) Метка спектраSpectrum label CC OO Общее количествоTotal Спектр 5Spectrum 5 99,4399.43 0,570.57 100,00100.00 Спектр 6Spectrum 6 99,6099.60 0,400.40 100,00100.00

На ФИГ. 29 и в Таблице 10 суммированы атомные доли элементов в частично окисленном (окисленный край) графене (окисленный графен с ФИГ. 28).FIG. 29 and Table 10 summarize the atomic fractions of elements in partially oxidized (oxidized edge) graphene (oxidized graphene of FIG. 28).

Таблица 10Table 10

Концентрация (% атом.)Concentration (% atom) Метка спектраSpectrum label CC OO FF NaNa SS ClCl CuCu Общее количествоTotal Спектр 80Spectrum 80 92,1492.14 5,965.96 0,390.39 0,140.14 1,241.24 0,060.06 0,080.08 100,00100.00

ПРИМЕР 14BEXAMPLE 14B

В этом примере графен с окисленным краем из Примера 14А используют для улучшения смазывающих свойств смазок на основе воды. Более конкретно, на ФИГ. 30 показано, что, когда диспергированный в воде графен добавляют к водной части Master Chemical 685, возникает 26% восстановление крутящего момента, требуемого для формирования нитей в стали. Верхний график является хладагентом без графена, а нижний график является 0,01% окисленным по краю графеном. Более низкий крутящий момент отражает более высокие смазывающие свойства.In this example, the oxidized edge graphene from Example 14A is used to improve the lubricity of water-based lubricants. More specifically, in FIG. 30 shows that when water-dispersed graphene is added to the aqueous portion of Master Chemical 685, there is a 26% recovery in the torque required to form filaments in the steel. The top graph is graphene-free coolant and the bottom graph is 0.01% edge-oxidized graphene. Lower torque reflects higher lubricity.

ПРИМЕР 15EXAMPLE 15

В этом примере, катионный графен (CGN) получают согласно определенным вариантам осуществления, описанным в настоящем документе. Выбор электрических свойств графена через создание катионного графена имеет большое значение в широкой области современных электронных устройств. Химическое легирование является важным подходом к выбору электронного свойства графена. Как правило, существует два способа химического легирования графена: (1) адсорбция металла или органических молекулы на поверхности графена, или (2) заменяющее легирование, которое вводит гетероатомы, такие как атомы азота и атомы бора в углеродную решетку графена. Оба этих способа могут изменить электронные свойства графена. In this example, cationic graphene (CGN) is produced according to certain embodiments described herein. The choice of electrical properties of graphene through the creation of cationic graphene is of great importance in a wide area of modern electronic devices. Chemical doping is an important approach to choosing the electronic property of graphene. Generally, there are two ways of chemical doping of graphene: (1) adsorption of metal or organic molecules on the surface of graphene, or (2) replacement doping, which introduces heteroatoms such as nitrogen atoms and boron atoms into the carbon lattice of graphene. Both of these methods can change the electronic properties of graphene.

Этот пример показывает другой способ изменения электронной природы графена. Хотя графен обычно является анионным, процесс газожидкостного массообмена может использоваться для производства катионного графена in situ. Процесс включает, например, барботирование пропана в 1,2-дихлорбензол с высоким сдвигом. В этих условиях реакция газожидкостного массообмена преобразовывает углерод в системе газ/жидкость с высоким сдвигом в графену in situ. Катионный графен, произведенный из 1,2-дихлорбензола с применением газожидкостного массообмена, описанного в настоящем документе, имеет Дзета-потенциал +4,99 мВ, как видно на ФИГ. 31. Это отличается от Дзета-потенциала -33 мВ для графена, диспергированного в N-метил-2-пирролидоне (NMP). This example shows another way to change the electronic nature of graphene. Although graphene is usually anionic, the gas-liquid mass transfer process can be used to produce cationic graphene in situ. The process includes, for example, sparging propane into 1,2-dichlorobenzene with high shear. Under these conditions, the gas-liquid mass transfer reaction converts carbon in the gas/liquid system with high shear into graphene in situ. Cationic graphene produced from 1,2-dichlorobenzene using the gas-liquid mass transfer described herein has a Zeta potential of +4.99 mV as seen in FIG. 31. This is different from the -33 mV zeta potential for graphene dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

УТВЕРЖДЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ВВЕДЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ССЫЛКИ И ВАРИАЦИЙSTATEMENTS REGARDING INTRODUCTION AS A REFERENCE AND VARIATIONS

Все ссылки, включая публикации, заявки на патент и патенты, процитированные в настоящем документе, настоящим включены в качестве ссылок до той же степени, как будто каждая ссылка была индивидуально и конкретно указана как включенная в качестве ссылки и была сформулирована в целом в настоящем документе.All references, including publications, patent applications, and patents cited herein, are hereby incorporated by reference to the same extent as if each reference were individually and specifically indicated as being incorporated by reference and were set forth herein as a whole.

Использование терминов «а» и «an» и «the» и «по меньшей мере, один» и подобных объектов ссылок в контексте описания изобретения (особенно в контексте следующей формулы изобретения) должно быть истолковано как охватывающее единственное и множественное число, если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту. Использование термина, «по меньшей мере, один», сопровождаемое списком из одного или нескольких пунктов (например, «по меньшей мере, один из A и B»), должно быть истолковано для значения одного пункта, выбранного из перечисленных пунктов (A или B) или любой комбинации двух или нескольких из перечисленных пунктов (A и B), если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту. Термины «включающий», «имеющий», «включает» и «содержащий» должны быть истолкованы как открытые термины (т.е., означающие «включающий, но не ограниченный»), если не указано иное. Перечисление диапазонов значений в настоящем документе просто предназначено для того, чтобы служить в качестве краткого способа обращения отдельно к каждому отдельному значению, попадающему в диапазон, если не указано иное в настоящем документе, и каждое отдельное значение включено в спецификацию, как будто оно было индивидуально перечислено в настоящем документе. Все способы, описанные в настоящем документе, могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту. Использование любого и всех примеров или типового языка (например, «такой как»), представленное в настоящем документе, предназначается только для лучшего освещения изобретения и не накладывает ограничение на объем изобретения, если не заявлено иное. Никакой язык в спецификации не должен быть истолкован как указывающий на не заявленный элемент как существенный для практики изобретения.The use of the terms "a" and "an" and "the" and "at least one" and similar objects of reference in the context of the description of the invention (especially in the context of the following claims) is to be construed as embracing singular and plural, unless otherwise indicated. otherwise in this document, or is clearly inconsistent with the context. The use of the term "at least one" followed by a list of one or more items (e.g. "at least one of A and B") should be construed to mean one item selected from the listed items (A or B ) or any combination of two or more of the listed items (A and B), unless otherwise specified in this document, or is clearly inconsistent with the context. The terms "including", "having", "includes" and "comprising" are to be construed as open terms ( i.e. , meaning "including but not limited to") unless otherwise noted. The listing of value ranges in this document is simply intended to serve as a shorthand way of referring separately to each individual value falling within the range, unless otherwise noted herein, and each individual value is included in the specification as if it were individually listed. in this document. All of the methods described herein may be performed in any suitable order unless otherwise indicated herein or clearly contradicted by the context. The use of any and all examples or exemplary language (eg, "such as") provided herein is intended only to better illuminate the invention and does not limit the scope of the invention unless otherwise stated. No language in the specification is to be construed as indicating an unclaimed element as essential to the practice of the invention.

Когда группу Markush или другую группу используют в настоящем документе, все отдельные члены группы и все комбинации и субкомбинации, возможные в группе, предназначаются для индивидуального включения в описание. Если соединение, описанное в настоящем документе, например, конкретный изомер, энантиомер или диастереомер соединения не определено, например, в формуле или в химическом названии, то описание предназначается для включения каждого изомера и энантиомера соединения, описанного отдельно или в любой комбинации. Кроме того, если не указано иное, все изотопные варианты соединений, описанных в настоящем документе, охвачены описанием. Например, будет понятно, что любой один или несколько атомов водорода в описанной молекуле могут быть замещены дейтерием или тритием. Изотопные варианты молекулы обычно применяют в качестве стандартов в анализах молекулы и в химических и биологических исследованиях, связанных с молекулой или ее использованием. Способы получения таких изотопных варианты известны в данной области техники. Конкретные наименования соединений являются типовыми, поскольку известно, что специалист в данной области техники может назвать те же соединения по-другому. When the Markush group or another group is used herein, all individual members of the group and all combinations and subcombinations possible within the group are intended to be individually included in the description. If a compound described herein, such as a specific isomer, enantiomer, or diastereomer of a compound, is not defined, such as in a formula or chemical name, then the description is intended to include each isomer and enantiomer of the compound described alone or in any combination. In addition, unless otherwise indicated, all isotopic variants of the compounds described in this document are covered by the description. For example, it will be understood that any one or more hydrogen atoms in the described molecule can be replaced by deuterium or tritium. Isotopic variants of a molecule are commonly used as standards in analyzes of the molecule and in chemical and biological studies related to the molecule or its use. Methods for producing such isotopic variants are known in the art. The specific names of the compounds are exemplary, since it is known that a person skilled in the art may name the same compounds differently.

Определенные молекулы, описанные в настоящем документе, могут содержать одну или несколько ионизируемых групп (групп, из которых протон может быть удален (например, -COOH) или добавлен (например, амины) или которые могут быть кватернизированы (например, амины)). Все возможные ионные формы таких молекул и их солей включены индивидуально в описание настоящего документа. Относительно солей соединений в настоящем документе, специалист в данной области техники может выбрать из числа большого разнообразия доступных противоионов те, которые подходят для получения солей настоящего изобретения для данной области применения. В определенных областях применения, выбор данного аниона или катиона для получения соли может привести к увеличению или уменьшению растворимости такой соли. Certain molecules described herein may contain one or more ionizable groups (groups from which a proton may be removed (eg, -COOH) or added (eg, amines) or which may be quaternized (eg, amines)). All possible ionic forms of such molecules and their salts are included individually in the description of this document. With respect to the salts of the compounds herein, one of skill in the art can select from among the wide variety of available counterions those suitable for the preparation of the salts of the present invention for a given application. In certain applications, the choice of a given anion or cation to form a salt may result in an increase or decrease in the solubility of that salt.

Каждый способ и система, описанные или представленные примерами в настоящем документе, могут использоваться для осуществления изобретения, если не указано иное. Each method and system described or exemplified herein can be used to practice the invention unless otherwise indicated.

Предпочтительные варианты осуществления этого изобретения описаны в настоящем документе, включая лучший способ, известный изобретателям для выполнения изобретения. Изменения предпочтительных вариантов осуществления могут стать очевидными специалистам в данной области техники после прочтения вышепредставленного описания. Изобретатели ожидают, что специалисты в данной области техники будут использовать такие изменения подходящим образом, и изобретатели предполагают, что изобретение может быть осуществлено иначе, чем конкретно описано в настоящем документе. Соответственно, это изобретение включает все модификации и эквиваленты объекта, указанного в формуле изобретения, приложенной к настоящему документу, как разрешено действующим законом. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех возможных вариациях охвачена изобретением, если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту.Preferred embodiments of this invention are described herein, including the best method known to the inventors for carrying out the invention. Changes to the preferred embodiments may become apparent to those skilled in the art upon reading the above description. The inventors expect those skilled in the art to make appropriate use of such modifications, and the inventors contemplate that the invention may be practiced otherwise than as specifically described herein. Accordingly, this invention includes all modifications and equivalents of the subject matter set forth in the claims appended to this document, as permitted by applicable law. In addition, any combination of the above elements in all possible variations is covered by the invention, unless otherwise indicated in this document, or clearly does not contradict the context.

Claims (55)

1. Способ получения твердого углеродного материала, включающий:1. A method for producing a solid carbon material, including: доставку жидкости, содержащей по меньшей мере одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; delivering a liquid containing at least one liquid organic compound to the reaction zone of the reactor; доставку газа, содержащего по меньшей мере одно газообразное органическое соединение, в зону реакции реактора; иdelivering a gas containing at least one gaseous organic compound to the reaction zone of the reactor; And индуцирование химической реакции, включающей газожидкостный массообмен между по меньшей мере одним жидким органическим соединением и по меньшей мере одним газообразным органическим соединением, при этом:inducing a chemical reaction involving gas-liquid mass transfer between at least one liquid organic compound and at least one gaseous organic compound, wherein: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора;the chemical reaction takes place in the reaction zone of the reactor; твердый углеродный материал получен реакцией;solid carbon material obtained by the reaction; твердый углеродный материал получен во время реакции в форме дисперсии, включающей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; the solid carbon material is obtained during the reaction in the form of a dispersion comprising the solid carbon material dispersed in a liquid; химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора;the chemical reaction is a homogeneous reaction including homogeneous nucleation of solid carbon material in the reaction zone of the reactor; химическая реакция не происходит на или в катализаторе; иno chemical reaction takes place on or in the catalyst; And полученный твердый углеродный материал выбран из группы, содержащей графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.the resulting solid carbon material is selected from the group consisting of graphite , expanded graphite, graphite-like material, graphene, graphene-like material, carbon slabs, carbon nanotubes, carbon onions, other carbon allotrope, graphene-containing composite, cationic graphene, or any combination thereof. 2. Способ по п. 1, в котором композиция газа отличается от композиции жидкости.2. The method of claim 1 wherein the composition of the gas is different from the composition of the liquid. 3. Способ по п. 1, в котором композиция по меньшей мере одного газообразного соединения отличается от композиции по меньшей мере одного жидкого органического соединения.3. The method of claim 1, wherein the composition of the at least one gaseous compound is different from the composition of the at least one liquid organic compound. 4. Способ по п. 1, в котором способ не включает гетерогенную нуклеацию твердого углеродного материала на твердой подложке. 4. The method of claim 1, wherein the method does not include heterogeneous nucleation of a solid carbon material on a solid support. 5. Способ по п. 1, в котором стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции и стадия доставки газа выполняется через второй входной поток в зону реакции; при этом пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными.5. The method according to p. 1, in which the stage of delivering liquid is performed through the first input stream to the reaction zone and the step of delivering gas is performed through the second input stream to the reaction zone; however, the paths of the first stream and the second input stream are different and are physically separate. 6. Способ по п. 1, в котором стадию доставки жидкости и стадию доставки газа выполняют одновременно или стадию доставки газа выполняют после доставки жидкости в зону реакции. 6. The method of claim 1, wherein the liquid delivery step and the gas delivery step are performed simultaneously or the gas delivery step is performed after the liquid is delivered to the reaction zone. 7. Способ по п. 1, в котором твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время нахождения в зоне реакции.7. The method of claim 1 wherein the solid carbon material remains dispersed in the liquid while in the reaction zone. 8. Способ по п. 1, в котором жидкость не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.8. The method of claim 1, wherein the liquid does not contain solid carbon material during the liquid delivery stage and prior to the gas delivery and chemical reaction induction stages. 9. Способ по п. 1, в котором жидкость не содержит твердые частицы и не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.9. The method of claim 1, wherein the liquid is free of solids and is not a colloid, suspension, or sol during the liquid delivery step and up to the gas delivery and chemical reaction induction steps. 10. Способ по п. 1, в котором твердый углеродный материал сформирован только в зоне реакции реактора.10. The method of claim 1 wherein the solid carbon material is only formed in the reaction zone of the reactor. 11. Способ по п. 1, в котором твердый углеродный материал не получен, если способ выполняется без стадии доставки газа.11. The method of claim 1 wherein no solid carbon material is produced if the method is performed without a gas delivery step. 12. Способ по п. 1, в котором доставка газа включает захват газа в жидкости, впрыскивание газа в жидкость, барботирование газа в жидкость или их комбинацию.12. The method of claim. 1, in which the delivery of gas includes capturing gas in liquid, injecting gas into liquid, sparging gas into liquid, or a combination of both. 13. Способ по п. 1, в котором газ доставляют непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа.13. The method of claim 1 wherein the gas is delivered directly to the reaction zone during the gas delivery step. 14. Способ по п. 1, в котором стадия индуцирования химической реакции включает индуцирование силы сдвига в жидкости.14. The method of claim 1 wherein the step of inducing a chemical reaction comprises inducing a shear force in the fluid. 15. Способ по п. 1, в котором стадия индуцирования химической реакции включает перемешивание или смешивание жидкости и газа в зоне реакции, необязательно под давлением.15. The method of claim 1, wherein the step of inducing a chemical reaction comprises agitating or mixing a liquid and a gas in the reaction zone, optionally under pressure. 16. Способ по п. 1, в котором:16. The method according to claim 1, in which: реактором является кавитационный реактор;the reactor is a cavitation reactor; зоной реакции является кавитационная зона кавитационного реактора; иthe reaction zone is the cavitation zone of the cavitation reactor; And способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора.the method includes the formation of cavitation bubbles in the liquid in the cavitation zone of the cavitation reactor. 17. Способ по п. 16, в котором во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в пределах 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, причем область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования.17. The method of claim 16, wherein during the gas delivery step, the gas is delivered directly to or within 1 mm of the cavitation bubble nucleation region, the cavitation bubble nucleation region corresponding to the cavitation bubble nucleation in the hydrodynamic cavitation reaction during the formation step. 18. Способ по п. 16, в котором стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, причем газ доставляют непосредственно внутрь или в пределах 1 мм от кавитационного облака. 18. The method of claim 16, wherein the step of forming includes forming a cavitation cloud containing cavitation bubbles in the cavitation zone of the reactor, wherein the gas is delivered directly into or within 1 mm of the cavitation cloud. 19. Способ по п. 16, в котором стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри; при этом углеродный материал сформирован в кавитационном облаке.19. The method according to p. 16, in which the stage of formation includes the formation of a cavitation cloud containing cavitation bubbles; in this case, the carbon material is formed in a cavitation cloud. 20. Способ по п. 16, в котором жидкость не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.20. The method of claim 16, wherein the liquid does not contain carbon material during the liquid delivery step and prior to the formation of cavitation bubbles. 21. Способ по п. 16, в котором кавитационный реактор включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий зону предкавитаци и зону отверстия, при этом зона отверстия находится между зоной предкавитации и зоной кавитации; зона отверстия включает по меньшей мере одно отверстие, при этом жидкость течет из зоны предкавитации в зону кавитации по меньшей мере через одно отверстие; причем каждое из по меньшей мере одного отверстия характеризуется диаметром отверстия, который меньше, чем диаметр зоны предкавитации. 21. The method of claim 16, wherein the cavitation reactor comprises a hydrodynamic cavitation reactor having a pre-cavitation zone and an orifice zone, wherein the orifice zone is located between the pre-cavitation zone and the cavitation zone; the hole zone includes at least one hole, while the liquid flows from the pre-cavitation zone to the cavitation zone through at least one hole; wherein each of the at least one orifice is characterized by an orifice diameter that is smaller than the diameter of the pre-cavitation zone. 22. Способ по п. 21, в котором газ доставляют непосредственно к кавитационному концу по меньшей мере одного отверстия или в пределах 1 мм от конца по меньшей мере одного отверстия; причем кавитационный конец по меньшей мере одного отверстия является концом по меньшей мере одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора.22. The method according to p. 21, in which the gas is delivered directly to the cavitation end of at least one hole or within 1 mm from the end of at least one hole; moreover, the cavitation end of at least one hole is the end of at least one hole closest to the cavitation zone of the cavitation reactor. 23. Способ по п. 1, в котором газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из алкана, алкена, алкина, циклоалкана, гетероциклоалкана, арена, гетероарена и их комбинации, причем алкан, алкен, алкин, циклоалкан, гетероциклоалкан, арен или гетероарен может быть необязательно замещен одним или несколькими заместителями.23. The method of claim 1, wherein the gaseous organic compound is selected from the group consisting of alkane, alkene, alkyne, cycloalkane, heterocycloalkane, arene, heteroarene, and combinations thereof, wherein the alkane, alkene, alkyne, cycloalkane, heterocycloalkane, arene, or heteroarene may optionally be substituted with one or more substituents. 24. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одно газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их комбинации.24. The method of claim 1, wherein the at least one gaseous organic compound is selected from the group consisting of methane, acetylene, ethylene, propane, 1,3-butadiene, butane, and any combination thereof. 25. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации.25. The method of claim 1, wherein the at least one liquid organic compound is selected from the group consisting of a monomer, an oligomer, a prepolymer, a polymer, an organic solvent, and any combination thereof. 26. Способ по любому из пп. 1-13, в котором по меньшей мере одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, , базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок, керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации. 26. The method according to any one of paragraphs. 1-13, in which at least one liquid organic compound is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, methylpyrrolidone, d-cyclopentadiene, hexane, benzene, toluene, heptane, xylene, dimethyl sulfoxide, mineral oil, machine oil, , base oil, hydrogenated castor oil, gear oil, gear oil, vegetable oil, hydrocarbon base drilling fluid, oil with additives, oil without additives, kerosene, diesel fuel, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylamine, trimethylamine, pentane, cyclopentane, cyclohexane , 1,4-dioxane, chloroform, diethyl ether, dichloromethane, tetrahydrofuran, ethyl acetate, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, nitromethane, propylene carbonate, formic acid, butanol, propanol, acetic acid, octadecene, oleic acid, oleylamine, octane, diethylene glycol ether , 1,2-dichlorobenzene, methyl acetate, tetrachlorethylene, diphenylthiourea s, hexafluoro-2-propanol, cinnamic acid, trimethylamine, benzenethiol, ethanethiol, ethanedithiol, 4-aminobenzenethiol, acrylic acid, carbon disulfide, 1,2-dichlorobenzene, N-methyl-2-pyrrolidone, and any combination thereof. 27. Способ по п. 1, в котором жидкость включает воду.27. The method of claim 1 wherein the liquid comprises water. 28. Способ по п. 1, в котором углеродный материал включает графен или графеноподобный материал.28. The method of claim 1 wherein the carbon material comprises graphene or a graphene-like material. 29. Способ по п. 1, в котором углеродный материал включает нанокомпозит графенового полимера.29. The method of claim 1 wherein the carbon material comprises a graphene polymer nanocomposite. 30. Способ по п. 1, в котором углеродный материал характеризуется содержанием кислорода 7 ат.% или меньше.30. The method of claim. 1, in which the carbon material has an oxygen content of 7 at.% or less. 31. Дисперсия для получения твердого углеродного материала, полученная способом по п. 1, характеризующаяся коэффициентом трения, уменьшенным на по меньшей мере 5% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала.31. A solid carbon material dispersion obtained by the method of claim 1, characterized by a coefficient of friction reduced by at least 5% relative to the same liquid without the solid carbon material. 32. Применение твердого углеродного материала, полученного способом по п. 1, в качестве части анода батареи, катода батареи, токопроводящего материала, теплопроводящего материала, смазочной жидкости или теплопроводящей жидкости.32. The use of a solid carbon material obtained by the method of claim 1 as part of a battery anode, battery cathode, conductive material, heat conductive material, lubricating fluid or heat conductive fluid. 33. Применение дисперсии, полученной способом по п. 1, для получения части анода батареи, катода батареи, токопроводящего материала, теплопроводящего материала, смазочной жидкости или теплопроводящей жидкости. 33. Use of the dispersion obtained by the method of claim 1 to obtain a portion of a battery anode, battery cathode, conductive material, heat conductive material, lubricating fluid or heat conductive fluid. 34. Способ по п. 1, дополнительно включающий функционализацию твердого углеродного материала для получения функционализированного твердого углеродного материала.34. The method of claim 1 further comprising functionalizing the solid carbon material to provide a functionalized solid carbon material. 35. Способ по п. 1, в котором дисперсия является первой дисперсией, химическая реакция является первой химической реакцией, твердый углеродный материал является материалом предшественником, газ является первым газом и реактор является первым реактором; при этом способ дополнительно включает:35. The method of claim 1, wherein the dispersion is the first dispersion, the chemical reaction is the first chemical reaction, the solid carbon material is the precursor material, the gas is the first gas, and the reactor is the first reactor; wherein the method further comprises: доставку первой дисперсии во второй реактор;delivering the first dispersion to the second reactor; доставку второго газа, содержащего по меньшей мере одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону реакции второго реактора; иdelivering a second gas containing at least one gaseous organic compound directly to the reaction zone of the second reactor; And индуцирование второй химической реакции в зоне реакции второго реактора; причем: inducing a second chemical reaction in the reaction zone of the second reactor; and: вторая химическая реакция превращает материал-предшественник во второй твердый углеродный материал;the second chemical reaction converts the precursor material into a second solid carbon material; второй углеродный материал диспергирован в жидкости; иthe second carbon material is dispersed in the liquid; And материал-предшественник и второй углеродный материал отличаются.the precursor material and the second carbon material are different. 36. Способ по п. 35, в котором второй реактор является кавитационным реактором и стадия индуцирования включает формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне реакции второго реактора.36. The method of claim 35, wherein the second reactor is a cavitation reactor and the induction step comprises forming cavitation bubbles in the first dispersion in the reaction zone of the second reactor. 37. Способ по п. 35, в котором первый реактор и второй реактор являются одинаковыми.37. The method of claim 35, wherein the first reactor and the second reactor are the same.
RU2021121513A 2018-12-21 2019-12-20 In situ production and functionalization of carbon materials through gas-liquid mass transfer and its use RU2790204C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/783,713 2018-12-21
US62/926,283 2019-10-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021121513A RU2021121513A (en) 2023-01-23
RU2790204C2 true RU2790204C2 (en) 2023-02-15

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU998492A1 (en) * 1979-04-17 1983-02-23 Предприятие П/Я Р-6518 Process for producing electrode coke
WO2007057501A1 (en) * 2005-11-16 2007-05-24 Canatu Oy Carbon nanotubes functionalized with fullerenes
RU2573035C2 (en) * 2013-01-22 2016-01-20 Мсд Текноложжис С.А.П.Л Method for obtaining carbon nanostructures and apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU998492A1 (en) * 1979-04-17 1983-02-23 Предприятие П/Я Р-6518 Process for producing electrode coke
WO2007057501A1 (en) * 2005-11-16 2007-05-24 Canatu Oy Carbon nanotubes functionalized with fullerenes
RU2573035C2 (en) * 2013-01-22 2016-01-20 Мсд Текноложжис С.А.П.Л Method for obtaining carbon nanostructures and apparatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sandhya et al. Ultrasonication an intensifying tool for preparation of stable nanofluids and study the time influence on distinct properties of graphene nanofluids–A systematic overview
Stafford et al. Towards scale‐up of graphene production via nonoxidizing liquid exfoliation methods
Ortiz et al. Crude oil/water emulsion separation using graphene oxide and amine-modified graphene oxide particles
AU2019403434B2 (en) In situ production and functionalization of carbon materials via gas-liquid mass transfer and uses thereof
CN101544366A (en) Continuous methods and apparatus of functionalizing carbon nanotube
JP4944923B2 (en) Method and apparatus for continuous surface treatment of carbon nanotubes
Price et al. Understanding the impact of cavitation on hydrocarbons in the middle distillate range
Mozhdehei et al. Dimethylcyclohexylamine switchable solvent interactions with asphaltenes toward viscosity reduction and in situ upgrading of heavy oils
RU2790204C2 (en) In situ production and functionalization of carbon materials through gas-liquid mass transfer and its use
GB2592303A (en) Improvements relating to nanomaterials
Ahoee et al. Impact of amine@ ZnO/CNT and fatty acid@ ZnO/CNT as hydrophilic functionalized nanocomposites on reduction of heavy oil viscosity
Gholizadeh et al. Facile synthesis of nanographene by a high-yield and scalable method
Arenas-Blanco et al. Sulfonated graphene oxide nanofluid: potential applications for enhanced oil recovery
Wang et al. Insightful understanding of shear-assisted supercritical CO2 exfoliation for fabricating graphene nanosheets through the combination of kinetics and process parameters
Jia et al. The synthesis of novel amphiphilic GOJS-Cn nanoparticles and their further application in stabilizing pickering emulsion and enhancing oil recovery
Dibaji et al. Synthesizing CNT-TiO2 nanocomposite and experimental pore-scale displacement of crude oil during nanofluid flooding
Bozkurt et al. Synthesis and characterization of CdS nanorods by combined sonochemical-solvothermal method
Sadighian et al. Nanomagnetic Cyclodextrin decorated with ionic liquid as green and reversible Demulsifier for breaking of crude oil emulsions
Yu et al. Effects of particle wettability and water moisture on separation efficiency and drop size distribution of particle-laden droplets in oil
Li et al. Study on the Liquid–Liquid and Liquid–Solid Interfacial Behavior of Functionalized Graphene Oxide
Mahant et al. Systematic Study of Nanohybrids of ZnO Nanoparticles toward Enhancement of Gas Hydrate Kinetics and the Application in Energy Storage
Wei et al. Synthesis of modified CeO2 nanoparticles highly stabilized in organic solvent using higee technology
Anita et al. Asphaltene Microencapsulation of Bitumen as a Means of Solid-Phase Transport
Shaw A review of nanofluids synthesis for oil and gas applications
Uoda et al. Carbon Nanoparticles from Waste Zn-C Battery via an Eco-friendly Method: Characterisation and Application for Wettability Alteration