СПОСОБ СИНТЕЗА ПРИ ДЖОУЛЕВОМ ФЛЕШ-НАГРЕВАНИИ И ЕГО КОМПОЗИЦИИ Российский патент 2024 года по МПК C01B32/19 B82Y30/00 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка притязает на приоритет патентной заявки США с регистрационным номером 62/727,510, поданной 5 сентября 2018 года, и патентной заявки США с регистрационным номером 62/880,482, поданной 30 июля 2019 года, каждая из которых озаглавлена «Sub-Second Graphene Synthesis By Flash Joule Heating», где совладельцем данных патентных заявок является собственник настоящего изобретения. Данные патентные заявки во всей своей полноте включаются в настоящий документ.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Настоящее изобретение относится к способам синтеза графена и других материалов, а говоря более конкретно, к способу крупносерийного синтеза турбостратного графена и других материалов в результате джоулевого флэш-нагревания (ДФН).

ГОСУДАРСТВЕННЫЕ КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЯ

[0003] Данное изобретение было сделано при государственной поддержке в соответствии с грантом № FA9550-14-1-0111, присужденным Министерством обороны/Управлением научно-исследовательских работ военно-воздушных сил Соединенных Штатов. Правительство Соединенных Штатов обладает определенными правами в данном изобретении.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] Графен в наиболее крупносерийном масштабе производят при использовании подхода «сверху вниз» в результате расслаивания графита, зачастую при наличии потребности в больших количествах растворителя с проведением интенсивного смешивания, сдвигового воздействия, ультразвуковой или электрохимической обработки [Allen 2009; Yi 2015; Hernandez 2008]. Это приводит к получению графена при упаковке слоев в стопку АВ, где имеет место высокосогласованная упорядоченность между графеновыми слоями. Хотя химическое окисления графита с образованием оксида графена промотирует расслаивание, это требует использования жестких окислителей и при последующей стадии восстановления дает в результате графен, обладающий дефектной перфорированной структурой [Hernandez 2008; Eda 2008]. Синтез «снизу вверх» высококачественного графена зачастую ограничивается сверхмалыми количествами в случае его проведения с использованием химического осаждения из паровой фазы или передовых синтетических органических способов, или же это приводит к получению структуры, обремененной дефектами, для случая проведения операции в объеме раствора [Eda 2008; Li 2008]. В соответствии с этим, имеет место потребность в улучшенном способе синтеза графена и других материалов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Как это было открыто, джоулево флэш-нагревание (ДФН) множества недорогостоящих источников углерода, таких как уголь, нефтяной кокс, биоуголь, углеродная сажа, выброшенные продукты питания, резиновые покрышки и смешанные пластмассовые отходы, может привести к получению графена в граммовых масштабах за менее чем 1 секунду. Данный графен обозначается термином «флэш-графен» («FG»). В данном способе не используют печь и не используют растворителей или реакционно-способных газов. Выходы зависят от уровня содержания углерода в источнике; в случае использования высокоуглеродистого источника выход может находиться в диапазоне от 80 до 90% при степени чистоты углерода, составляющей более чем 99%. Согласно анализу методом спектроскопии комбинационного рассеяния FG демонстрирует низкую интенсивность или отсутствие D-полосы при достижении значения I_2D/G, составляющего более чем 10, а иногда даже 17, что вводит FG в число наименее дефектных графенов, о которых когда-либо сообщалось. Согласно наблюдениям в результате анализа при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния FG является турбостратным в том смысле, что он характеризуется маленькой упорядоченностью между графеновыми слоями, что, тем самым, облегчает его быстрое расслаивание при смешивании во время формирования композита; такое быстрое расслаивание не может быть осуществлено исходя из более широко распространенного графена при упаковке слоев в стопку АВ. Турбостратная природа FG отличает его от большинства других форм крупносерийного синтеза графена, которые производят графен при упаковке слоев в стопку АВ. FG является в особенности привлекательным, поскольку смешанные пластмассовые отходы могут быть превращены в однокомпонентный графен при том, что выброшенные пищевые отходы могут стать графеном FG, содержащим связанный углерод, а не диоксидом углерода и метаном на полигонах для захоронения отходов. Стоимость электрической энергии для синтеза FG составляет всего лишь приблизительно 7,2 кДж⋅г^-1. Это делает графен FG подходящим для использования в крупносерийных композитах из пластмассы, металлов, красок, бетона и других строительных материалов. Его турбостратная природа облегчает хорошее диспергирование FG в данном широком диапазоне композитов и растворителей.

[0006] Помимо этого, в результате приложения импульса (импульсов) напряжения (то есть, джоулевого флэш-нагревания) к соответствующим предшественникам могут быть приготовлены 2D-материалы. Настоящее изобретение, кроме того, охватывает способ синтеза различных видов 2D-материалов в миллисекундных временных масштабах, и стоимость данного способа является очень низкой. В сопоставлении с другими способами, такими как химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ) и гидротермальные способы, может быть получен более высокий выход за намного более короткий период времени и при отсутствии потребности в использовании какого-либо растворителя при прохождении превращения (что является намного более экономичным). Способ, использующий импульсы напряжения, является очень непродолжительным, что делает возможным синтез некоторых метастабильных форм 2D-материалов, которые очень трудно синтезировать при использовании других способов, например, 1T’-MoS₂ и черного фосфора.

[0007] В общем случае в одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ, который включает синтез графена в результате приложения импульса напряжения к проводящему источнику углерода, который по существу не представляет собой графен.

[0008] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0009] Удельная проводимость проводящего источника углерода может составлять более чем 10^-5 См/см.

[0010] Удельная проводимость проводящего источника углерода может составлять более чем 10^-3 См/см.

[0011] Продолжительность импульса напряжения может находиться в диапазоне между 1 микросекундой и 5 секундами.

[0012] Продолжительность импульса напряжения может находиться в диапазоне между 100 миллисекундами и 500 миллисекундами.

[0013] Импульс напряжения может быть повторен от 2 раз до 100 раз.

[0014] Импульс напряжения может быть повторен от 2 раз до 10 раз.

[0015] Сила тока через образец может находиться в диапазоне между 0,01 А/см² и 10000 А/см².

[0016] Сила тока через образец может находиться в диапазоне между 0,1 А/см² и 1000 А/см².

[0017] Напряжение на образце может находиться в диапазоне между 10 В/см и 4000 В/см.

[0018] Напряжение на образце может находиться в диапазоне между 100 В/см и 400 В/см.

[0019] Проводящий источник углерода может быть выбран из группы, состоящей из антрацитового угля, биоугля, подвергнутого обработке при повышенной температуре, прокаленного нефтяного кокса, шунгита, углеродных нанотрубок, асфальтенов, ацетиленовой сажи, углеродной сажи и их смесей.

[0020] Проводящий источник углерода может включать проводящую добавку к источнику углерода, которая придает проводящему источнику углерода удельную проводимость, достаточную для способа.

[0021] Проводящая добавка к источнику углерода может быть выбрана из группы, состоящей из антрацитового угля, биоугля, подвергнутого обработке при повышенной температуре, прокаленного нефтяного кокса, углеродных нанотрубок, графеновых квантовых точек, ацетиленовой сажи, углеродной сажи, шунгита, графена или их смесей. Проводящий источник углерода может представлять собой характеризующийся уменьшенной удельной проводимостью углеродный материал, выбираемый из группы, состоящей из экскрементов, пластмасс, винильных полимеров, конденсационных полимеров, полимеров, растущих по ступенчатому механизму роста, полимеров, растущих по цепному механизму роста, живых полимеров, резин, гуминовой кислоты, углеводов, рисовой пудры, пищевых отходов, продуктов питания, угля, органических отходов, органического материала, битуминозного угля, кокса, нефтяного кокса, нефти, нефтепродуктов, углерода от обдирания неуглеродных атомов у природного газа или нефти или диоксида углерода, древесины, целлюлозы, листьев, ветвей, травы, биомассы, останков животных, останков рыбы, белков и их смесей. Проводящая добавка к источнику углерода может быть добавлена к углеродному материалу, характеризующемуся уменьшенной удельной проводимостью, для придания источнику, характеризующемуся уменьшенной удельной проводимостью, удельной проводимости, достаточной для способа.

[0022] До способа проводящий источник углерода может включать менее, чем 50% графена.

[0023] До способа проводящий источник углерода может по существу не включать спектроскопически детектируемого графена.

[0024] Выход продукта в способе может включать, по меньшей мере, 70% графена.

[0025] Выход продукта может составлять, по меньшей мере, 90% графена.

[0026] Выход продукта может составлять 100% графена.

[0027] Синтезированный графен может быть турбостратным графеном.

[0028] Проводящий источник углерода может включать источник углерода, который характеризуется удельной проводимостью, составляющей, самое большее, 10^-7 См/см. Проводящий источник углерода, кроме того, может включать проводящую добавку к источнику углерода, взаимно смешанную с источником углерода. Проводящий источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-5 См/см.

[0029] Проводящий источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-3 См/см.

[0030] Проводящая добавка к источнику углерода может быть выбрана из группы, состоящей из углеродной сажи, порошкообразного металла и их комбинаций.

[0031] Способ может быть непрерывным способом.

[0032] Способ может быть автоматизированным способом.

[0033] Проводящий источник углерода может включать углеродную сажу и резину.

[0034] Проводящий источник углерода может включать от 1% (масс.) до 10% (масс.) углеродной сажи.

[0035] Проводящий источник углерода может включать от 4% (масс.) до 6% (масс.) углеродной сажи.

[0036] На стадии приложения импульса напряжения может быть использовано напряжение постоянного тока.

[0037] На стадии приложения импульса напряжения может быть использовано напряжение переменного тока.

[0038] Импульс напряжения может быть приложен при использовании источника питания, который использует трехфазное электрическое питание.

[0039] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ, который включает синтез графена в результате приложения импульса напряжения к проводящим источникам углерода, которые по существу не представляют собой графен. При приложении импульса напряжения к проводящим источникам углерода присутствуют гетероатомы, которые приводят к получению легированного или гетероатомсодержащего графенового продукта.

[0040] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0041] Гетероатомы могут быть выбраны из группы, состоящей из атомов азота, фосфора, бора и их смесей.

[0042] Гетероатомы могут быть выбраны из группы, состоящей из атомов металлов, полуметаллов и их смесей.

[0043] Источники гетероатомов могут быть выбраны из группы, состоящей из меламина, аминоборана, меламиноформальдегидной смолы, фосфинов, фосфатов, металлических солей, оксидов металлов и их смесей.

[0044] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой аппарат, который включает углеродное подаваемое исходное сырье. Углеродное подаваемое исходное сырье включает проводящий источник углерода, который по существу не представляет собой графен. Аппарат, кроме того, включает непроводящую емкость, реализуемую для удерживания проводящего источника углерода. Аппарат, кроме того, включает электроды, которые являются реализуемыми для приложения импульса напряжения к проводящему источнику углерода внутри непроводящей емкости для синтеза графена.

[0045] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0046] Аппарат, кроме того, может включать канал, через который проводящий источник углерода может транспортироваться в непроводящую емкость.

[0047] Аппарат, кроме того, может включать камеру, в которой может быть расположена непроводящая емкость при приложении импульса напряжения при использовании электродов.

[0048] Непроводящая емкость может включать кварц или керамический материал.

[0049] Непроводящая емкость может включать кварцевую ампулу.

[0050] Аппарат может включать множество непроводящих емкостей. Аппарат, кроме того, может включать конвейер или шнек и собирательный бункер. Конвейер или шнек могут быть реализуемыми для транспортирования емкостей во множестве непроводящих емкостей в камеру после заполнения проводящим источником углерода непроводящей емкости. Конвейер или шнек, кроме того, могут быть реализуемыми для транспортирования непроводящих емкостей прочь из камеры до позиции, в которой синтезированный графен может быть собран в собирательном бункере.

[0051] Аппарат может включать множество конденсаторов, реализуемых для приложения импульса напряжения.

[0052] Аппарат может включать контроллер и механическое реле, реализуемые для управления приложением импульса напряжения.

[0053] Аппарат может включать катушку индуктивности и диод, функционально соединенные с контроллером и механическим реле.

[0054] Аппарат, кроме того, может включать переключатель-рубильник.

[0055] Проводящий источник углерода может включать источник углерода, который характеризуется удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-5 См/см.

[0056] Источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-3 См/см.

[0057] Проводящий источник углерода может включать источник углерода и проводящую добавку к источнику углерода.

[0058] Проводящий источник углерода может представлять собой угольный порошок.

[0059] Источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, самое большее, 10^-6 См/см. Проводящий источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-5 См/см.

[0060] Проводящий источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-3 См/см.

[0061] Аппарат может быть реализуемым для осуществления непрерывного способа синтеза графена из проводящего источника углерода.

[0062] Аппарат может быть реализуемым для осуществления автоматизированного способа синтеза графена из проводящего источника углерода.

[0063] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой систему, которая включает описанный выше аппарат.

[0064] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0065] Аппарат может быть функционально соединенным с источником напряжения постоянного тока.

[0066] Аппарат может быть функционально соединенным с источником напряжения переменного тока.

[0067] Аппарат может быть функционально соединенным с источником питания, который использует трехфазное электрическое питание.

[0068] Источник питания может использовать трехфазное электрическое питание со следующим далее двухполупериодным выпрямлением.

[0069] Источники питания могут использовать реле с контролем перехода через ноль для управления продолжительностью импульса напряжения.

[0070] Источник питания, кроме того, может включать компьютерное управление. Компьютерное управление может быть реализуемым для выбора продолжительности импульса напряжения на основании количества полупериодов, допущенных к прохождению через реле с контролем перехода через ноль.

[0071] Источник питания может быть реализуемым для использования одного из среднеквадратических (СКЗ) значений трехфазных напряжений переменного тока в 120, 208, 277, 480 вольт.

[0072] Источник питания может включать трехфазный генератор, реализуемый для подачи питания переменного тока.

[0073] Трехфазный генератор может быть механически сочлененным с двигателем переменного тока.

[0074] Трехфазный генератор может включать ротор. Трехфазный генератор может быть реализуемым для подачи питания переменного тока в результате быстрого преобразования механической мощности в электрический ток вследствие наличия инерции у ротора.

[0075] Трехфазный генератор может включать маховик. Трехфазный генератор может быть реализуемым для подачи питания переменного тока при использовании маховика в целях достижения увеличенной продолжительности и выходных напряжения и силы тока установившегося режима.

[0076] Аппарат может включать множество конденсаторов, реализуемых для приложения импульса напряжения. Аппарат может включать контроллер и механическое реле, реализуемые для управления приложением импульса напряжения.

[0077] Аппарат может включать катушку индуктивности и диод, функционально соединенные с контроллером и механическим реле.

[0078] Аппарат, кроме того, может включать переключатель-рубильник.

[0079] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ формирования 2D-материала. Способ включает выбор материала предшественника, который включает предшественника. Способ, кроме того, включает приложение импульса напряжения к материалу для формирования 2D-материала.

[0080] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0081] Предшественник может характеризоваться удельной проводимостью, которая составляет более, чем 10^-6 См/см.

[0082] Предшественник может включать источник металла.

[0083] Источник металла может быть выбран из группы, состоящей из железного порошка, молибденового порошка, металлического вольфрама и металлической меди.

[0084] Предшественник может включать источник неметалла.

[0085] Источник неметалла может быть выбран из группы, состоящей из углеродной сажи, прокаленного нефтяного кокса.

[0086] Предшественник может характеризоваться удельной проводимостью, которая составляет менее, чем 10^-6 См/см. Материал предшественника, кроме того, может включать проводящий источник. Материал предшественника может характеризоваться удельной проводимостью, которая составляет более, чем 10^-5 См/см.

[0087] Предшественник может характеризоваться удельной проводимостью, которая составляет менее, чем 10^-7 См/см.

[0088] Предшественник может быть выбран из группы, состоящей из дисульфида молибдена (MoS₂), тетратиомолибдената аммония ((NH₄)₂MoS₄), комплекса боран-аммиак (BH₃NH₃), красного фосфора и их комбинаций.

[0089] Проводящий источник может быть выбран из группы, состоящей из углеродного материала, порошкообразного металла и их комбинаций.

[0090] Предшественник может быть выбран из группы, состоящей из дисульфида молибдена (MoS₂), тетратиомолибдената аммония ((NH₄)₂MoS₄), комплекса боран-аммиак (BH₃NH₃), красного фосфора и их комбинаций.

[0091] Предшественник может включать дисульфид молибдена (MoS₂) или тетратиомолибденат аммония ((NH₄)₂MoS₄).

[0092] 2D-материал может включать 1T’-MoS₂ и 2Н-MoS₂.

[0093] Предшественник может включать комплекс боран-аммиак (BH₃NH₃).

[0094] 2D-материал может включать гексагональный нитрид бора (h-BN).

[0095] Предшественник может включать красный фосфор.

[0096] 2D-материал может включать черный фосфор.

[0097] Стадия приложения импульса напряжения к материалу для формирования 2D-материала может включать несколько импульсов напряжения, приложенных к материалу. Количество импульсов напряжения может находиться в диапазоне между 1 импульсом и 100 импульсами. Стадия приложения импульса напряжения к материалу для формирования 2D-материала может включать каждый из импульсов напряжения, характеризующихся величиной продолжительности в диапазоне между 1 микросекундой и 5 секундами. Стадия приложения импульса напряжения к материалу для формирования 2D-материала может включать силу тока каждого из импульсов напряжения в диапазоне между 0,01 А/см² и 10000 А/см². Стадия приложения импульса напряжения к материалу для формирования 2D-материала может включать напряжение каждого из импульсов напряжения в диапазоне между 10 В и 4000 В.

[0098] Количество импульсов напряжения может находиться в диапазоне между 1 импульсом и 10 импульсами. Величина продолжительности каждого из импульсов напряжения может находиться в диапазоне между 10 микросекундами и 1000 миллисекундами. Сила тока каждого из импульсов напряжения может находиться в диапазоне между 0,1 А/см² и 10,00 А/см². Напряжение каждого из импульсов напряжения может находиться в диапазоне между 100 В и 400 В.

[0099] На стадии приложения импульса напряжения может быть использовано напряжение постоянного тока.

[0100] На стадии приложения импульса напряжения может быть использовано напряжение переменного тока.

[0101] Импульс напряжения может быть приложен при использовании источника питания, который использует трехфазное электрическое питание.

[0102] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой аппарат, который включает материал предшественника, который включает предшественника. Аппарат, кроме того, включает непроводящую емкость, реализуемую для удерживания материала предшественника. Аппарат, кроме того, включает электроды, которые являются реализуемыми для приложения импульса напряжения к материалу предшественника в непроводящей емкости в целях приготовления 2D-материала.

[0103] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0104] Аппарат, кроме того, может включать канал, через который предшественник может транспортироваться в непроводящую емкость.

[0105] Аппарат, кроме того, может включать камеру, в которой может быть расположена непроводящая емкость при приложении импульса напряжения при использовании электродов.

[0106] Непроводящая емкость может включать кварц или керамический материал.

[0107] Аппарат может включать множество непроводящих емкостей. Аппарат, кроме того, может включать конвейер или шнек и собирательный бункер. Конвейер или шнек могут быть реализуемыми для транспортирования непроводящих емкостей во множестве непроводящих емкостей в камеру после заполнения материалом предшественника непроводящей емкости. Конвейер или шнек, кроме того, могут быть реализуемыми для транспортирования непроводящих емкостей прочь из камеры до позиции, в которой приготовленный 2D-материал может быть собран в собирательном бункере.

[0108] Аппарат может включать множество конденсаторов, реализуемых для приложения импульса напряжения.

[0109] Аппарат может включать контроллер и механическое реле, реализуемые для управления приложением импульса напряжения.

[0110] Аппарат может включать катушку индуктивности и диод, функционально соединенные с контроллером и механическим реле.

[0111] Аппарат, кроме того, может включать переключатель-рубильник.

[0112] Предшественник может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-5 См/см.

[0113] Предшественник может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-3 См/см.

[0114] Материал предшественника, кроме того, может включать проводящий источник.

[0115] Предшественник может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, самое большее, 10^-6 См/см. Проводящий источник может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-5 См/см.

[0116] Материал предшественника может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-3 См/см.

[0117] Аппарат может быть реализуемым для осуществления непрерывного способа выработки 2D-материала из материала предшественника.

[0118] Аппарат может быть реализуемым для осуществления автоматизированного способа выработки 2D-материала из материала предшественника.

[0119] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой систему, которая включает описанный выше аппарат.

[0120] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0121] Аппарат может быть функционально соединенным с источником напряжения постоянного тока.

[0122] Аппарат может быть функционально соединенным с источником напряжения переменного тока.

[0123] Аппарат может быть функционально соединенным с источником питания, который использует трехфазное электрическое питание.

[0124] Источник питания может использовать трехфазное электрическое питание со следующим далее двухполупериодным выпрямлением.

[0125] Источники питания могут использовать реле с контролем перехода через ноль для управления продолжительностью импульса напряжения.

[0126] Источник питания, кроме того, может включать компьютерное управление. Компьютерное управление может быть реализуемым для выбора продолжительности импульса напряжения на основании количества полупериодов, допущенных пройти через реле с контролем перехода через ноль.

[0127] Источник питания может быть реализуемым для использования одного из среднеквадратических (СКЗ) значений трехфазных напряжений переменного тока в 120, 208, 277, 480 вольт.

[0128] Источник питания может включать трехфазный генератор, реализуемый для подачи питания переменного тока.

[0129] Трехфазный генератор может быть механически сочлененным с двигателем переменного тока.

[0130] Трехфазный генератор может включать ротор. Трехфазный генератор может быть реализуемым для подачи питания переменного тока в результате быстрого преобразования механической мощности в электрический ток вследствие наличия инерции у ротора.

[0131] Трехфазный генератор может включать маховик. Трехфазный генератор может быть реализуемым для подачи питания переменного тока при использовании маховика в целях достижения увеличенной продолжительности и выходных напряжения и силы тока установившегося режима.

[0132] Аппарат может включать множество конденсаторов, реализуемых для приложения импульса напряжения. Аппарат может включать контроллер и механическое реле, реализуемые для управления приложением импульса напряжения.

[0133] Аппарат может включать катушку индуктивности и диод, функционально соединенные с контроллером и механическим реле.

[0134] Аппарат, кроме того, может включать переключатель-рубильник.

[0135] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ, который включает синтез крупносерийных количеств турбостратного графена.

[0136] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0137] Способ может включать флэш-графеновый способ изготовления турбостратного графена из материала на углеродной основе.

[0138] Турбостратный графен может быть малодефектным турбостратным графеном.

[0139] Способ, кроме того, может включать изготовление композитов, содержащих турбостратный графен.

[0140] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ, который включает синтез турбостратного графена в результате приложения импульса напряжения к проводящему источнику углерода, который по существу не представляет собой графен.

[0141] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0142] Удельная проводимость проводящего источника углерода может составлять более, чем 10^-5 См/см.

[0143] Удельная проводимость проводящего источника углерода может составлять более, чем 10^-3 См/см.

[0144] Продолжительность импульса напряжения может находиться в диапазоне между 1 микросекундой и 5 секундами.

[0145] Продолжительность импульса напряжения может находиться в диапазоне между 100 миллисекундами и 500 миллисекундами.

[0146] Импульс напряжения может быть повторен от 2 раз до 100 раз.

[0147] Импульс напряжения может быть повторен от 2 раз до 10 раз.

[0148] Сила тока через образец может находиться в диапазоне между 0,01 А/см² и 10000 А/см².

[0149] Сила тока через образец может находиться в диапазоне между 0,1 А/см² и 1000 А/см².

[0150] Напряжение на образце может находиться в диапазоне между 10 В/см и 4000 В/см.

[0151] Напряжение на образце может находиться в диапазоне между 100 В/см и 400 В/см.

[0152] Проводящий источник углерода может быть выбран из группы, состоящей из антрацитового угля, биоугля, подвергнутого обработке при повышенной температуре, прокаленного нефтяного кокса, шунгита, углеродных нанотрубок, асфальтенов, ацетиленовой сажи, углеродной сажи и их смесей.

[0153] Проводящий источник углерода может включать проводящую добавку к источнику углерода, которая придает проводящему источнику углерода удельную проводимость, достаточную для способа.

[0154] Проводящая добавка к источнику углерода может быть выбрана из группы, состоящей из антрацитового угля, биоугля, подвергнутого обработке при повышенной температуре, прокаленного нефтяного кокса, углеродных нанотрубок, графеновых квантовых точек, ацетиленовой сажи, углеродной сажи, шунгита, графена или их смесей. Проводящий источник углерода может представлять собой характеризующийся уменьшенной удельной проводимостью углеродный материал, выбираемый из группы, состоящей из экскрементов, пластмасс, винильных полимеров, конденсационных полимеров, полимеров, растущих по ступенчатому механизму роста, полимеров, растущих по цепному механизму роста, живых полимеров, резин, гуминовой кислоты, углеводов, рисовой пудры, пищевых отходов, продуктов питания, угля, органических отходов, органического материала, битуминозного угля, кокса, нефтяного кокса, нефти, нефтепродуктов, углерода от обдирания неуглеродных атомов из природного газа или нефти или диоксида углерода, древесины, целлюлозы, листьев, ветвей, травы, биомассы, останков животных, останков рыбы, белков и их смесей. Проводящая добавка к источнику углерода может быть добавлена к углеродному материалу, характеризующемуся уменьшенной удельной проводимостью, для придания источнику, характеризующемуся уменьшенной удельной проводимостью, удельной проводимости, достаточной для способа.

[0155] Проводящий источник углерода может включать источник углерода, который характеризуется удельной проводимостью, составляющей, самое большее, 10^-7 См/см. Проводящий источник углерода, кроме того, может включать проводящую добавку к источнику углерода, взаимно смешанную с источником углерода. Проводящий источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-5 См/см.

[0156] Проводящий источник углерода может характеризоваться удельной проводимостью, составляющей, по меньшей мере, 10^-3 См/см.

[0157] Проводящая добавка к источнику углерода может быть выбрана из группы, состоящей из углеродной сажи, порошкообразного металла и их комбинаций.

[0158] Способ может быть непрерывным способом.

[0159] Способ может быть автоматизированным способом.

[0160] Способ может обеспечить синтез, по меньшей мере, 1 грамма крупносерийного графенового материала. Турбостратный графен может представлять собой, по меньшей мере, 90% (масс.) крупносерийного графенового материала.

[0161] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой крупносерийный графеновый материал. Основная часть крупносерийного графенового материала представляет собой турбостратный графен. Крупносерийный графеновый материал имеет массу, составляющую, по меньшей мере, 1 грамм.

[0162] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0163] По меньшей мере, 90% (масс.) графена могут представлять собой турбостратный графен.

[0164] Крупносерийный графеновый материал может быть синтезирован из материала источника углерода, который преимущественно включает твердый источник углерода. Твердый источник углерода является источником углерода в твердом состоянии.

[0165] Твердый источник углерода может включать, по меньшей мере, 90% (масс.) материала источника углерода.

[0166] Крупносерийный графеновый материал может быть синтезирован из материала источника углерода, который преимущественно включает жидкий источник углерода. Жидкий источник углерода является источником углерода в жидком состоянии.

[0167] Жидкий источник углерода может включать, по меньшей мере, 90% (масс.) материала источника углерода.

[0168] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой композитный материал, который включает турбостратный графен и второй материал.

[0169] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0170] Второй материал может быть выбран из группы, состоящей из бетона, цемента, пластмасс, красок, покрытий, пеноматериала, пенополиуретана, напольного покрытия, кровельного покрытия, древесины, фанеры, алюминия, стали, меди, металлов, асфальта, оксидов металлов, углерод-углеродных композитов, волокон, пленок и их комбинаций.

[0171] Композитный материал может включать от 0,001% (масс.) до 10% (масс.) турбостратного графена.

[0172] Предел прочности при растяжении композитного материала может быть большим, чем предел прочности при растяжении второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0173] Предел прочности при растяжении композитного материала может быть, по меньшей мере, на 10% большим, чем предел прочности при растяжении второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0174] Предел прочности при сжатии композитного материала является большим, чем предел прочности при сжатии второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0175] Предел прочности при сжатии композитного материала может быть, по меньшей мере, на 10% большим, чем предел прочности при сжатии второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0176] Модуль Юнга композитного материала может быть по существу отличным от модуля Юнга второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0177] Модуль Юнга композитного материала может быть, по меньшей мере, на 10% отличным от модуля Юнга второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0178] Предел текучести при растяжении композитного материала может быть большим, чем предел текучести при растяжении второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0179] Предел текучести при растяжении композитного материала может быть, по меньшей мере, на 10% большим, чем предел текучести при растяжении второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0180] Удельная электрическая проводимость композитного материала может быть большей, чем удельная электрическая проводимость второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0181] Удельная электрическая проводимость композитного материала может быть, по меньшей мере, на 10 сименс на сантиметр большей, чем удельная электрическая проводимость второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0182] Удельная теплопроводность композитного материала может быть большей, чем удельная теплопроводность второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0183] Удельная теплопроводность композитного материала может быть, по меньшей мере, на 1 ватт на метр-кельвин большей, чем удельная теплопроводность второго материала в отсутствие турбостратного графена.

[0184] Второй материал может быть жидким материалом.

[0185] Жидкий материал может быть выбран из группы, состоящей из охлаждающих жидкостей, трансмиссионных жидкостей, смазок, масел и их комбинаций.

[0186] Жидкий материал может быть выбран из группы, состоящей из буровых жидкостей и жидкостей для гидравлического разрыва пласта.

[0187] Турбостратный графен может представлять собой добавку для предотвращения фильтрации жидкого материала.

[0188] Вязкость композитного материала может быть, по меньшей мере, на 1 миллипаскаль-секунда большей, чем вязкость жидких материалов в отсутствие турбостратного графена.

[0189] Второй материал может представлять собой сухую смазку.

[0190] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой сухую смазку, которая включает турбостратный графен.

[0191] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0192] Сухая смазка может представлять собой турбостратный графен.

[0193] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой композицию малодефектного турбостратного графена.

[0194] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0195] Турбостратный графен включает множество графеновых листов. Графеновые листы включают преимущественно sp²-гибридизованные атомы углерода.

[0196] Графеновые листы могут включать, по меньшей мере, 70% (ат.) sp²-гибридизованных атомов углерода.

[0197] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ, который включает химическую ковалентную функционализацию турбостратного графена. Атом функционализации выбирают из группы, состоящей из атомов кислорода, углерода, металлов, серы, фосфора, неметаллов, металлоидов и их комбинаций.

[0198] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ, который включает химическую нековалентную функционализацию турбостратного графена при использовании одного или нескольких представителей, выбираемых из поверхностно-активных веществ, ДНК, белков, полимеров, ароматических соединений, маленьких органических молекул, газов, загрязнителей грунтовых вод, биологических клеток, микроорганизмов, полихлорированных бифенилов, перхлоратов и боратов.

[0199] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой способ, который включает выбор материала, который включает турбостратный графен. Способ, кроме того, включает, использование материала в качестве ингибитора образования отложений или в качестве противокоррозионного ингибитора.

[0200] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0201] Материал может представлять собой турбостратный графен.

[0202] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой сенсорное устройство, которое включает турбостратный графен. Турбостратный графен может быть реализуемым в сенсорном устройстве для изменения электрического свойства на основании адсорбирования анализируемого вещества.

[0203] Воплощения изобретения могут включать один или несколько следующих далее признаков:

[0204] Электрическое свойство может быть выбрано из группы, состоящей из подвижности, сопротивления, электропроводности и их комбинаций.

[0205] Анализируемое вещество может быть выбрано из группы, состоящей из газов, боевых биологических средств, отравляющих веществ нервно-паралитического действия и их комбинаций.

[0206] В общем случае в еще одном варианте осуществления признак изобретения представляет собой устройство, которое включает турбостратный графен. Устройство выбирают из группы, состоящей из оптических устройств, оптоэлектронных устройств и устройств, реализуемых для полевой эмиссии электронов или фотонов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0207] ФИГУРЫ 1А-1F демонстрируют графен FG, синтезированный из различных источников углерода. ФИГУРА 1А представляет собой принципиальную схему способа ДФН. ФИГУРЫ 1В-1D представляют собой полученное при использовании метода ПЭМ-ВР изображение для графена FG, произведенного из углеродной сажи, поверх одиночного слоя графена FG, произведенного из кофе, с масштабными метками в 2 нм, 5 Å и 5 Å, соответственно. ФИГУРА 1Е представляет собой характеристики, которые включают спектры комбинационного рассеяния (демонстрирующие наилучшие полученные спектры и репрезентативные спектры), спектры РДА и полученные при использовании метода ПЭМ изображения для графена FG, произведенного из различных источников углерода. Каждый элемент изображения на картировании, полученном при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния, соответствует 2 мкм при использовании увеличения 50×. Масштабные метки на изображениях, полученных при использовании метода ПЭМ, сверху вниз соответствуют 5, 200, 5 и 100 нм, соответственно. ФИГУРА 1F представляет собой график, демонстрирующий нарастание температуры в зависимости от времени во время флэш-воздействия.

[0208] ФИГУРЫ 2А-2D демонстрируют систему ДФН. ФИГУРА 2А представляет собой принципиальную электрическую схему системы ДФН. ФИГУРА 2В представляет собой фотографию установки для системы ДФН на пластмассовой тележке. ФИГУРА 2С представляет держатель образца, который был изготовлен из маленького коммерческого зажимного приспособления (Amazon) и вырезанных лазером деревянных деталей. ФИГУРА 2D демонстрирует конденсатор, использованный в системе ДФН с ФИГУРЫ 2А.

[0209] ФИГУРЫ 3А-3D представляют собой графики анализа определяемой при использовании метода БЭТ площади удельной поверхности графена CB-FG.

[0210] ФИГУРА 4 демонстрирует спектры комбинационного рассеяния для графена FG, произведенного из других источников углерода.

[0211] ФИГУРЫ 5А-5G демонстрируют критические параметры ДФН. ФИГУРА 5А представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при увеличении напряжения для флэш-воздействия. ФИГУРА 5В представляет собой обобщенную сводку соотношения между I_2D/G и I_D/G для CB-FG при различных напряжениях для флэш-воздействия. ФИГУРА 5С представляет собой график зависимости время-температура для графена CB-FG, подвергшегося реакции при различных условиях. ФИГУРА 5D представляет собой график зависимости время-температура для графена CB-FG, подвергшегося реакции при различных продолжительностях флэш-воздействия. ФИГУРА 5Е представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при различных степенях сжатия. ФИГУРА 5F представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при различных температурах флэш-воздействия с ФИГУРЫ 5С. ФИГУРА 5G представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при различных продолжительностях флэш-воздействия с ФИГУРЫ 5D.

[0212] ФИГУРЫ 6А-6С демонстрируют сверхбыстрое измерение температуры. ФИГУРА 6А представляет собой принципиальную схему установки для измерения температуры. ФИГУРА 6В демонстрирует сбор излучения абсолютно черного тела от образца при использовании оптического волокна через специализированный системный блок дифракционной решетки. ФИГУРА 6С представляет собой график, демонстрирующий аппроксимацию излучения абсолютно черного тела.

[0213] ФИГУРЫ 7A-7F представляют собой результаты по РФС для прокаленного нефтяного кокса, кофе, подвергнутого предварительной обработке, и углеродной сажи до и после способа ДФН.

[0214] ФИГУРЫ 8А-8D представляют собой результаты по ТГА на воздухе для: (ФИГУРА 8А) СВ исходного сырья (Black Pearls 2000, Cabot) и CB-FG; (ФИГУРА 8В) антрацитового угля исходного сырья и антрацит-FG; (ФИГУРА 8С) прокаленного кокса исходного сырья и СС-FG; и (ФИГУРА 8D) кофе, подвергнутого предварительной обработке, и кофе-FG.

[0215] ФИГУРА 8Е представляет собой результаты по спектроскопии комбинационного рассеяния для остатка при ТГА от кофе-FG с ФИГУРЫ 8D.

[0216] ФИГУРЫ 9А-9G демонстрируют результаты по моделированиям молекулярной динамики (МД) для структур, демонстрирующих различные характеристики (такие как микропористость, рассогласованность и размер графитовых доменов) и выдерживаемых в заданном температурном диапазоне (от 1500 до 5000 К) на протяжении длительного времени (вплоть до 5 × 10^{- 9} секунд, при использовании термостата NVT). Масштабные метки соответствуют 1,5 нм.

[0217] ФИГУРЫ 10А-10В, соответственно, представляют собой иллюстрации упорядоченности упаковки слоев в стопку АВ (ФИГУРА 10А) и упаковки слоев не в стопку АВ или турбостратного варианта (ФИГУРА 10В) для пары графеновых решеток.

[0218] ФИГУРА 11 представляет собой график спектра комбинационного рассеяния для флэш-графена, произведенного из углеродной сажи (СВ), демонстрирующего наличие турбостратных пиков.

[0219] ФИГУРЫ 12А-12В представляют собой графики 2D-пика в спектре комбинационного рассеяния для флэш-графена, произведенного из углеродной сажи (СВ).

[0220] ФИГУРЫ 13А-13Е демонстрируют масштабирование и области применения CB-FG. ФИГУРА 13А демонстрирует кварцевые ампулы для ДФН различных размеров и форм, приводящие к получению FG. ФИГУРА 13В представляет собой график, демонстрирующий диспергирование FG в воде/Pluronic (F-127) (1%). ФИГУРА 13С демонстрирует диспергирование FG в различных органических растворителях при 5 г⋅л^-1. ФИГУРА 13D представляет собой график механических эксплуатационных характеристик для цемента, компаундированного с FG. ФИГУРА 13Е представляет собой фотографию для 4 г⋅л^-1 CB-FG (с ФИГУРЫ 13В) после центрифугирования в сопоставлении с коммерческим образцом при 10 г⋅л^-1 после центрифугирования. Масштабная метка для ФИГУР 13А, 13С и 13Е соответствует 1 см.

[0221] ФИГУРА 14 представляет собой один вариант осуществления автоматизации FG-способа.

[0222] ФИГУРА 15 представляет собой иллюстрацию трех синусоидальных волн трехфазного питания, которое может быть использовано в одном варианте осуществления настоящего изобретения.

[0223] ФИГУРА 16 представляет собой иллюстрацию, демонстрирующую три фазы при масштабировании для FG.

[0224] ФИГУРА 17 представляет собой иллюстрацию формирования импульса для флэш-графена от трехфазного питания.

[0225] ФИГУРА 18 представляет собой иллюстрацию одного варианта осуществления, демонстрирующего три фазы при масштабировании для FG, который демонстрирует прямое управление для всех трех реле с контролем перехода через ноль.

[0226] ФИГУРА 19 представляет собой график, демонстрирующий зависимость время-температура для различных способов синтеза графена.

[0227] ФИГУРЫ 20А-20В представляют собой полученные при использовании метода СЭМ изображения для композита из цемента и CB-FG.

[0228] ФИГУРА 21 представляет собой график, демонстрирующий предел прочности при сжатии для PDMS, композита CB-FG/PDMS и композита СВ/PDMS.

[0229] ФИГУРЫ 22А-22Н представляют собой графики, демонстрирующие FG в Li-ионном конденсаторе и Li-ионном аккумуляторе. Изготавливали и эксплуатировали в режиме зарядка-разрядка Li-ионный аккумулятор, после этого аккумулятор вскрывали и анод и катод использовали для изготовления Li-ионного конденсатора.

[0230] ФИГУРА 23А представляет собой спектр комбинационного рассеяния для графена СВ-резина-FG.

[0231] ФИГУРА 23В представляет собой полученное при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния картирование для графена СВ-резина-FG.

[0231] ФИГУРА 24А представляет собой результаты по РДА для графенов 5% СВ-резина-FG, 5% СВ-резина (200 мсек)-FG, 5% СВ-резина (300 мсек)-FG и 5% СВ-резина (400 мсек)-FG.

[0232] ФИГУРА 24В представляет собой спектр комбинационного рассеяния для графенов 5% СВ-резина-FG, 5% СВ-резина (200 мсек)-FG, 5% СВ-резина (300 мсек)-FG и 5% СВ-резина (400 мсек)-FG.

[0234] ФИГУРА 25А представляет собой спектры комбинационного рассеяния при флэш-нагревании MoS₂, использующем различные времена флэш-воздействия.

[0235] ФИГУРА 25В представляет собой выход для флэш-нагревания MoS₂ при различных временах флэш-воздействия.

[0236] ФИГУРА 25С представляет собой соотношение между интенсивностями пиков J₃ и E_2g при различных временах флэш-воздействия.

[0237] ФИГУРА 26 представляет собой спектры РФС Mo 3d при флэш-нагревании MoS₂, использующем различные времена флэш-воздействия.

[0238] ФИГУРА 27 представляет собой результаты по РФС для 2H-MoS₂ и 1T’-MoS₂.

[0239] ФИГУРЫ 28А-28В представляют собой полученные при использовании метода ПЭМ изображения при флэш-нагревании MoS₂.

[0240] ФИГУРА 29 представляет собой спектры комбинационного рассеяния для флэш-графена (FG) и различных образцов нитрида бора (BN).

[0241] ФИГУРЫ 30А-30В представляют собой, соответственно, спектры РФС В 1s и N 1s для образца нитрида бора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0242] Данное настоящее изобретение представляет собой новый способ крупносерийного синтеза очень высококачественного графена при использовании низкозатратной технологической установки и материалов и без использования растворителей в результате джоулевого флэш-нагревания (ДФН). Нагревание ДФН может занимать менее, чем 1 секунду. Это можно масштабировать в результате неоднократного формирования гранул графена, где имеются сотни поршнеобразных доменов, при этом каждый один из них, например, имеет диаметр в диапазоне ~ от 0,2 до 100 см и длину в диапазоне от 4 см до 1 м, и при их использовании проводят сжатие и ДФН, после этого выталкивание гранулы графена. Подобно крупносерийному изготовлению гвоздей, где каждый гвоздь имеет плунжер, ударяющий по его верхушке для формирования шляпки. Для синтеза могут быть использованы источники, такие же недорогостоящие, как и возобновляемый биоуголь и кокс и антрацитовый уголь.

[0243] Для нагревания в качестве материала проводящего углерода используют размолотый проводящий углерод, такой как биоуголь (проводящий биоуголь может быть подвергнут обработке при повышенной температуре, а именно, составляющей более, чем 800 °С), прокаленный нефтяной кокс, асфальтены или антрацитовый уголь, но также может быть использовано и другое. Для случая использования источника углерода и демонстрации им удельной проводимости, меньшей, чем это необходимо, (например, для случая собачьих экскрементов, тараканов, гуминовой кислоты, битуминозного угля, пластмасс, органических отходов, целлюлозы, белков, останков животных или рыбы) удельная проводимость может быть увеличена в результате добавления наполнителей, таких как проводящий биоуголь, прокаленный кокс, антрацитовый уголь, асфальтены, углеродная сажа или FG из прошлого прогона, что увеличивает удельную проводимость. Само собой разумеется то, что могут быть использованы и другие типы углерода, такие как углеродные нанотрубки, углеродная сажа, ацетиленовая сажа, активированный уголь, органические отходы, пластмассы, резина и полимеры. Присутствие неуглеродных атомов не ингибирует формирование, но оно может в результате привести к получению графенового продукта, легированного гетероатомом, в зависимости от уровня процентного содержания добавленных гетероатомов, их температуры кипения или сублимирования и условий флэш-воздействия.

[0244] Действительно, проводящий источник углерода может быть непосредственно произведен из ископаемых топлив (метана, природного газа, нефти и тому подобного) или другого углерода, у которого с углерода обдирают неуглеродные атомы (такие как водородные атомы). Например, ископаемые топлива могут быть использованы для энергии без какого-либо вовлечения выделений СО₂ в результате каталитического обдирания водородных атомов из ископаемых топлив при выработке твердого углерода и газа Н₂. Получающийся в результате газ Н₂ после этого может быть использован в топливной ячейке для выработки электричества. Поэтому при использовании данного способа каталитического обдирания формируют твердый углерод в очень больших количествах, которые после этого могут быть использованы в способе ДФН в результате взятия обедненного по водороду твердого углерода и превращения его в FG.

[0245] Проводящие источники углерода, использованные в настоящем изобретении, предпочтительно характеризуются удельной проводимостью, составляющей более, чем 10^-3 См/см, но сработать могут даже и соответствующие источники при 10^-5 См/см. Например, как это продемонстрировано ниже, успешно превращаются в графен прокаленный нефтяной кокс (CPC), биоуголь, древесный уголь, битуминозный уголь, гуминовая кислота.

Диапазон напряжения: 100-400 В/см.

Диапазон силы тока: 0,1-1000 А/см².

Диапазон выхода продукта ДФН: 10% - 90%.

Выход графена в продукте ДФН, составляющий более, чем 70%.

Способ джоулевого флэш-нагревания

[0246] В способе ДФН аморфный проводящий угольный порошок 103 сжимают внутри кварцевой или керамической ампулы 101 между двумя электродами 102 и 104. Смотрите ФИГУРУ 1А (ФИГУРА 1F представляет собой график, демонстрирующий нарастание температуры в зависимости от времени во время флэш-воздействия). ФИГУРЫ 2А-2С демонстрируют систему ДФН 200, которая включает среду управления 204 (также называемую камерой флэш-воздействия), имеющую латунный винт 201, медную вату 202 и источник углерода 203. Среда управления 204 может находиться при атмосферном давлении или при умеренном вакууме (~ 10 мм ртутного столба) для облегчения обезгаживания.

[0247] Компоненты внутри среды управления 204 соединяются с компонентами, которые включают:

[0248] Конденсаторы 210, такие как 10 × алюминиевых оксидно-электролитических конденсаторов при 450 В, 6 мФ (Mouser #80-PEH200YX460BQU2). Данная батарея конденсаторов может быть использована для синтеза FG при размерах партии, меньших или равных 0,5 г. В альтернативном варианте, конденсаторы 210 могут представлять собой 10 × алюминиевых оксидно-электролитических конденсаторов при 400 В, 18 мФ (Mouser #80-ALS70A183QS400). Данная дополнительная батарея конденсаторов может быть использована для синтеза FG при размерах партии, составляющих более, чем 0,5 г и доходящих вплоть до 1,0 г. ФИГУРА 2D демонстрирует отдельный конденсатор в системе ДФН 200.

[0249] Механическое реле 205, такое как при 900 В, 500 А (TE Connectivity LEV200A5ANA).

[0250] Источник питания 213: источники питания для СИД при 299,6 Вт, 214-428 В, 700 мА (Mouser #709-HLG320H-C700B). Ручка регулирования силы тока 212 может иметь потенциометр при 10 кОм.

[0251] V_cap 215, измерение для чего может быть проведено при использовании универсального измерительного прибора Fluke 189.

[0252] Переключатели-размыкатели для разрядки и зарядки, соответственно, 211 и 214, такие как при 400 В и 6 А (ABB S 282 K 6A).

[0253] Переключатель-размыкатель для конденсатора 209, такой как при 277 В и 10 А (ABB S201P-C10).

[0254] Переключатель-размыкатель-рубильник 208, такой как при 440 В и 63 А (AАB S283 UC Z 63A).

[0255] Контроллер 216, такой как устройство Arduino Uno с жидкокристаллическим дисплеем.

[0256] Катушка индуктивности 206, такая как при 24 мГн (Mouser #553-C-80U).

[0257] Диод 207, такой как при 1200 В и 560 А (Mouser #747-MDO500-12N1).

[0258] По причинам безопасности в качестве переключателей могут быть использованы размыкатели цепи. Размыкатели цепи имеют встроенное дугогашение, которое может прерывать прохождение 1000 ампер и более. Обыкновенные переключатели не имеют такого высокого уровня дугогашения и могут перегорать или замыкаться сварным швом вследствие высокоамперных импульсов. По причинам безопасности могут быть использованы размыкатели цепи, рассчитанные для напряжения постоянного тока. Большинство размыкателей цепи переменного тока характеризуются номиналом постоянного тока, составляющим 1/2 напряжения и менее, поскольку дуги постоянного тока намного труднее подавлять. Могут быть использованы размыкатели цепи, разработанные для систем постоянного тока на солнечной энергии. По причинам безопасности размыкатели цепи могут быть выбраны при использовании временных кривых, типичных для 0,1 сек, а не номинала по силе тока установившегося режима. Размыкатели цепи постоянного тока, относящиеся к типу К, будут характеризоваться током срабатывания, большим, чем в ~ 10 раз при 0,1 сек в сопоставлении с их номинальной силой тока, и размыкатели, относящие к типу Z, будут характеризоваться током срабатывания, большим, чем в ~ 4 раза при 0,1 сек. Данное «отключение с задержкой по времени», предусмотренное в конструкции большинства размыкателей цепи, будет обеспечивать наличие намного больших импульсных токов, чем номинал установившегося режима для размыкателя. По причинам безопасности в цепь разрядки может быть включена небольшая величина индуктивности для ограничения времени нарастания значением, составляющим миллисекунду и более. Чрезвычайно быстрые разрядки могут повреждать компоненты и вызывать появление радиочастотных помех для другого лабораторного аппарата. Как это необходимо помнить, система может обеспечить разрядку во множество тысяч джоулей за миллисекунды, что может привести к взрыву компонентов, таких как реле или даже конденсаторы. Данные компоненты могут быть заключены в кожух для защиты как от высокого напряжения, так и, возможно, от летучих частиц.

[0259] Кроме того, по причинам безопасности провода управления могут иметь оптоизоляторы, рассчитанные для высокого напряжения. По причинам безопасности система ДФН 201 может включать визуальный индикатор зарядки (то есть, индикаторную лампу 217). Может быть использована прозрачная стеклянная осветительная лампа накаливания на 230 В, поскольку свечение нити накаливания также образует приблизительный индикатор величины зарядки батареи конденсаторов. (То есть, яркий свет обозначает опасность). По причинам безопасности не пользуйтесь тумблерными переключателями с металлическими тумблерами. В случае развития дуги металлический тумблер мог бы стать заряженным.

[0260] Система ДФН 200 может находиться при атмосферном давлении или при умеренном вакууме (~ 10 мм ртутного столба) для облегчения обезгаживания. Электроды могут быть из меди, графита или любого проводящего тугоплавкого материала. Электрическая разрядка высокого напряжения из батареи конденсаторов (из конденсаторов 210) доводит источник углерода до температур, составляющих более, чем 3000 К, за менее, чем 100 мсек, что обеспечивает эффективное превращение аморфного углерода в FG. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 2В, система ДФН может, кроме того, включать вакуумные клапаны 220 (для управления средой в среде управления 204) и универсальные измерительные приборы 221 для V_cap и сопротивления образца. ФИГУРА 2С представляет держатель образца, который был изготовлен из маленького коммерческого зажимного приспособления (Amazon) и вырезанных лазером деревянных деталей. Неплотно подогнанные (для обеспечения улетучивания газа во время флэш-воздействия) латунные винты исполняли функцию двух электродов, которые находились в контакте с затычками из медной ваты (или графитовыми дисками), которые соприкасаются с желательным источником углерода. Резиновые пробки обеспечивают постепенное сжатие образца при одновременном сжатии зажимного приспособления для увеличения удельной проводимости образца. Ширина по штангенциркулю составляла 5 см.

Флэш-графен

[0261] Графен FG, произведенный при использовании системы ДФН 200, может обладать турбостратной структурой. ФИГУРЫ 1В-1D представляют собой полученное при использовании метода ПЭМ-ВР изображение для графена FG, произведенного из углеродной сажи, поверх одиночного слоя графена FG, произведенного из кофе. (Графен FG, произведенный из кофе, образован из использованной кофейной гущи, меньшие частицы графена в больших листах графена имеют своим происхождением проводящую добавку на основе углеродной сажи). В результате анализа при использовании просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ-ВР) (ФИГУРА 1В и область 105, увеличенная на ФИГУРЕ 1С) видны разориентированные слои FG с их муаровыми рисунками. Однако, как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 1D (увеличенная область 106 с ФИГУРЫ 1В), графен FG, произведенный из отработанной кофейной гущи, приводит к получению шестиугольного однослойного графена.

[0262] В системе ДФН могут быть использованы различные материалы. Представленная ниже ТАБЛИЦА I отражает параметры ДФН для различных использованных материалов.

ТАБЛИЦА I

Исходный материал Масса (мг) Ампула (мм) Конденсатор (мФ) R (Ом) V Pre V Flash Dur (мсек) Результирующий материал Углеродная сажа 30 4 60 1,5 35 В × 5
110 В 500
50 CB-FG (наивысшее значение I2D/G) (Black Pearls 2000, Cabot) 120 8 60 1 60 В × 5 200 В 500
500 CB-FG (компаундирование пластмассы) (Black Pearls 2000, Cabot) 1200 15 220 1,5 100 В × 5 250 В 500
500 CB-FG (партия в 1,1 г) (Black Pearls 2000, Cabot) 1000 10 220 1000-3000 150 В × 3 10000 Обугленная кофейная гуща Использованная кофейная гуща/CB (5%) 50 4 60 5-10 40 В × 5 130 В 50 C-FG (Starbucks и Folgers) 80 4 60 2000-3000 150 В 10000 Графен FG, произведенный из антрацита Обугленная кофейная гуща 80 4 60 0,8 80 В × 5 175 В 100
500 Графен FG, произведенный из прокаленного кокса

[0263] В ТАБЛИЦЕ I «Dur» представляет собой продолжительность времени размыкания переключателя, а не реальную продолжительность флэш-воздействия; «V Pre» представляет предварительную обработку при напряжении, то есть, предварительную обработку без флэш-воздействия; и «V Flash» представляет флэш-воздействие при напряжении, которое является фактическим флэш-воздействием для синтеза FG. Предварительная обработка при напряжении заключается в неполном обугливании материала для уменьшения количества летучего материала и увеличения удельной проводимости. Способ обугливания приводит к получению только аморфного материала согласно анализу при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния. Данная предварительная обработка при напряжении может оказаться важной для исходных материалов, характеризующихся низким уровнем содержания углерода. Данное предварительное обугливание может быть обойдено при использовании обогащенного материала, где имеет место цикл предварительного нагревания, поскольку промышленное нагревание является менее дорогостоящим, чем использование электричества при нагревании ниже определенных температур.

[0264] Высококачественный графен может быть быстро идентифицирован при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния. [Ferrari 2006; Ferrari 2007; Malard 2009; Ni 2009]. FG из углеродной сажи (CB-FG) обнаруживает интенсивный 2D-пик. Как это видно по полученному при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния картированию для CB-FG с ФИГУРЫ 1Е, значение I_2D/G составляет более, чем 10 во многих местоположениях. Чрезвычайно низкая D-полоса указывала на маленькую концентрацию дефектов в данных продуктах FG, что вносит свой вклад в усиление 2D-полосы. Таким образом, необычно высокое значение I_2D/G 17 (ФИГУРА 1Е) для CB-FG является наиболее высоким значением, о котором сообщалось на сегодняшний день для любой формы графена, и, вероятно, представляет собой результат действия предельной температуры, достигнутой в способе флэш-воздействия, который удаляет из системы неуглеродные элементы в виде газа.

[0265] Полученная при использовании метода РДА рентгенограмма для FG демонстрирует хорошо определенный пик (002), указывающий на успешную графитизацию аморфного углерода. Пик (002) для FG имеет место в области 2θ = 27,8°, что соответствует межслоевому интервалу (I_c) 3,45 Å. Данный интервал является большим, чем соответствующий интервал в типичном графите Бернала 3,37 Å, что указывает на вспученную и турбостратную структуру FG. Пик (002), как это было установлено, является несимметричным, обнаруживая хвост при малых углах, что дополнительно предполагает турбостратную природу FG. [Li 2007]. Способ флэш-воздействия является достаточно быстрым для предотвращения упорядоченной укладки слоев АВ. CB-FG характеризуется площадью удельной поверхности ~ 295 м²⋅г^-1 при размере пор < 9 нм согласно измерению в результате анализа при использовании метода Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ). Смотрите ФИГУРЫ 3А-3D. ФИГУРЫ 3А-3D демонстрируют анализ площади удельной поверхности при использовании метода БЭТ для CB-FG, при этом ФИГУРА 3А представляет собой изотерму, ФИГУРА 3В представляет собой аппроксимирование площади удельной поверхности при использовании метода БЭТ, а ФИГУРЫ 3С-3D представляют собой распределение пор по размерам для абсорбирования и десорбирования. Антрацитовый уголь и прокаленный нефтяной кокс также хорошо работают при превращении в FG (ФИГУРА 1Е и ТАБЛИЦА I). Выход для способа ДФН доходит вплоть до значения в диапазоне от 80 до 90% высокоуглеродистых источников, таких как углеродная сажа, прокаленный кокс или антрацитовый уголь, а электрическая энергия, требуемая для их превращения составляет, ~ 7,2 кДж⋅г^-1.

[0266] В сопоставлении с другим графеном FG графен FG, произведенный из кофе, (C-FG) производит более крупные графеновые листы. До способа ДФН приготавливали смесь из использованной кофейной гущи и 5% (масс.) СВ, поскольку один только кофе является непроводящим. Вместо использования СВ в качестве проводящей добавки для кофейной гущи могут быть использованы от 2 до 5% (масс.) FG из предшествующего прогона. При использовании РДА в дополнение к доминирующему пику (002) в области 26,0° наблюдали острый пик (001) в области 2θ = 42,5°, который связан со структурой, лежащей в плоскости. При использовании метода ПЭМ-ВР заявители наблюдали сложенные графеновые листы для C-FG (ФИГУРА 1Е) с размером в диапазоне от 0,5 до 1 мкм, что подобно размеру графенового листа, полученному в результате расслаивания графита. ^{3, 12, 13} [Hernandez 2008; Stankovich 2007; Cai 2012].

[0267] Могут быть использованы и другие разновидности углерода, которые представляют собой обильные, возобновляемые или составляющие отходы источники, в том числе в FG также превращаются древесный уголь, биоуголь, гуминовая кислота, кератин (человеческие волосы), лигнин, сахароза, крахмал, сосновая кора, сажа, произведенная из оливкового масла, капуста, кокосовый орех, фисташковая скорлупа, картофельные очистки или смешанная пластмасса, в том числе полиэтилентерефталат (РЕТ или РЕТЕ), полиэтилен высокой или низкой плотности (HDPE, LDPE), поливинилхлорид (PVC), полипропилен (РР), полиакрилонитрил (PAN) или смешанные пластмассы. Смотрите ФИГУРУ 4, которая демонстрирует репрезентативные спектры комбинационного рассеяния для графена FG, произведенного из других источников углерода.

[0268] Источники предшественников с ФИГУРЫ 4 демонстрируются в ТАБЛИЦЕ II (при использовании сосновой коры, сажи, произведенной из оливкового мала, капусты, кератина из человеческих волос, кокосового ореха, фисташковой скорлупы, картофельных очистков, РЕТЕ, HDPE, PVC, LDPE, PP и PS, собранных в качестве бросовых продуктов). Биоуголь был достаточно проводящим; он не требовал наличия какой-либо добавки. Все другие непластмассовые образцы содержали от 5 до 10% (масс.) сажи СВ, добавленной для увеличения их удельных проводимостей. Как это также было продемонстрировано, для замещения СВ в качестве проводящей добавки можно использовать от 2 до 5% (масс.) FG из предшествующего прогона. Пластмасса № 7 «ДРУГОЕ» представляет собой полиакрилонитрил (PAN). Смешанную пластмассу образовывали из следующих далее величин % (масс.) полимеров: HDPE 40%, PETE 40%, PP 10%, PVC 10%. Все пластмассовые образцы содержали 5% (масс.) сажи СВ, добавленной для увеличения их удельных проводимостей.

[0269] Способ ДФН может обеспечить наличие легкого маршрута превращения данных распространенных по всему миру бросовых продуктов в графен FG, представляющий собой потенциально высокоценную добавку в композит для строительства. [Parfitt 2010; Gustavsson 2011; Jambeck 2015]. Это будет фиксировать данные источники углерода и предотвращать их превращения в диоксид углерода, метан или вредоносные отходы пластмассы микро- или нанометрового размера. Возможность превращения смешанных пластмасс в один продукт в виде FG является в особенности привлекательной с точки зрения повторного использования отходов.

ТАБЛИЦА II

Биоуголь Neroval LLC, из смешанных широколиственных пород древесины из Теннеси, коммерческое приготовление при 1100°С Древесный уголь Sigma CAS: 7440-44-0 Гуминовая кислота Sigma CAS: 1415-93-6 Лигнин Sigma CAS: 8068-05-1 Сахароза Sigma CAS: 57-50-1 Крахмал Argo, без клейковины PAN Sigma CAS: 25014-41-9

[0270] Графен I_2D/G оптимизируют при использовании сжатия образца между электродами (что оказывает воздействие на удельную проводимость образца), напряжения на конденсаторе и продолжительности переключения в целях управления температурой и продолжительностью флэш-воздействия. ФИГУРЫ 5А-5G. ФИГУРЫ 5А-5G демонстрируют критические параметры ДФН. ФИГУРА 5А представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при увеличении напряжения флэш-воздействия. ФИГУРА 5В представляет собой обобщенную сводку соотношений I_2D/G и I_D/G для CB-FG при различных напряжениях флэш-воздействия (при приведении диаграмм 501-502 для 2D/G и D/G, соответственно). «Усы» на графике представляют среднеквадратическое отклонение по 10 точкам. ФИГУРА 5С представляет собой график зависимости время-температура для графена CB-FG, подвергшегося реакции при различных условиях, (при приведении диаграмм 503-504 для 3100 К и 2850 К, соответственно). Температуру регулировали при использовании напряжения флэш-воздействия. ФИГУРА 5D представляет собой график зависимости время-температура для графена CB-FG, подвергшегося реакции при различных продолжительностях флэш-воздействия, (при приведении диаграмм 505-508 для 10 мсек, 150 мсек № 1, 150 мсек № 2 и 50 мсек, соответственно). Продолжительность флэш-воздействия регулировали при использовании сжатия образца между электродами, что оказывало воздействие на удельную проводимость образца. Числа на диаграммах представляют собой скорости охлаждения для каждого способа (которые представляют собой 30000 К⋅сек^-1, 70000 К⋅сек^-1, 50000 К⋅сек^-1 и 20000 К⋅сек^-1, которые соответствует диаграммам 505-508, соответственно). ФИГУРА 5Е представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при различных степенях сжатия. Более высокое сжатие приводило к получению меньшего сопротивления для образца. ФИГУРА 5F представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при различных температурах флэш-воздействия с ФИГУРЫ 5С. ФИГУРА 5G представляет собой спектры комбинационного рассеяния для CB-FG при различных продолжительностях флэш-воздействия с ФИГУРЫ 5D. Флэш-воздействия при 150 мсек № 1 и № 2 характеризуются подобной продолжительностью, но различными скоростями охлаждения, как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 5D. Все спектры комбинационного рассеяния на ФИГУРАХ 5А и 5E-5G получали при маленьком увеличении (5×) для представления среднего спектра образца.

[0271] Увеличение напряжения приводило к увеличению температуры способа. Температуру оценивали в результате аппроксимирования спектра излучения абсолютно черного тела при испускании в диапазоне 600-1100 нм. ФИГУРЫ 6А-6С. ФИГУРА 6А представляет собой принципиальную схему установки для измерения температуры. ФИГУРА 6В демонстрирует излучение абсолютно черного тела для образца, собранного при использовании оптического волокна через специализированный системный блок дифракционной решетки. Спектр излучения заполнял фотодиодные матрицы с 16 элементами изображения (Hamamatsu S4111-16R) в диапазоне от 600 нм до 1100 нм. Световые пути иллюстрируются на ФИГУРЕ 6В. Напряжения обратного смещения (9 В) от фотодиодных матриц собирали при использовании устройства National Instrument multifunction I/O device PCIe-6320. ФИГУРА 6С представляет собой график, демонстрирующий аппроксимацию излучения абсолютно черного тела. Температуру для каждой точки графика зависимости температуры от времени определяют при использовании аппроксимации излучения абсолютно черного тела для спектра испускания в диапазоне 0,6-1,1 мкм. Вставки 631, 641 и 651 представляют собой аппроксимацию спектра для 3000 К, 3500 К и 2500 К, при этом диаграммы 632, 642 и 652 относятся к реальным данным, а диаграммы 633, 643 и 653 представляют собой аппроксимированные кривые.

[0272] Качество CB-FG определяли при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния при маленьком увеличении в результате варьирования времени и температуры. При менее, чем 90 В и менее, чем 3000 К графен FG имел высокий D-пик, что указывает на дефектную структуру. Смотрите ФИГУРЫ 5А-5С и ФИГУРУ 5F. В результате увеличения выходного напряжения формировали графен CB-FG при 3100 К, и он содержал мало дефектов при почти что отсутствии D-полосы в спектре комбинационного рассеяния. Поэтому 3000 К представляет собой критическую температуру для получения более высококачественного графена, характеризующегося увеличенным значением I_2D/G.

[0273] В результате увеличения сжатия образца между двумя электродами увеличивается удельная проводимость источника углерода, что, таким образом, уменьшает время разрядки. Смотрите ФИГУРЫ 5D-5E и ФИГУРУ 5G. При той же самой температуре 3200 К короткая продолжительность флэш-воздействия в 10 мсек в результате приводит к получению увеличенной 2D-полосы, в то время как флэш-воздействие в диапазоне от 50 до 150 мсек в результате приводит к получению продукта, характеризующегося меньшей 2D-полосой. Смотрите ФИГУРУ 5G. Это указало на то, что при заданном большем времени чешуйки графена располагаются при упаковке в стопку, ориентируются и формируют больше слоев, что уменьшает 2D-полосу у получающегося в результате графена FG. Маленькая скорость охлаждения увеличивала продолжительность флэш-воздействия и уменьшала 2D-полосу. [Yao 2018]. Поэтому в целях получения большого значения I_2D/G может быть использована тонкая кварцевая ампула для ускорения скорости радиационного охлаждения. Интересно то, что несмотря на превышение внутренней температурой значения в 3000 К внешние стенки кварцевых ампул являются только теплыми на ощупь (менее, чем 60 °С) после способа флэш-воздействия. Основная часть тепла отводится в виде излучения абсолютно черного тела.

[0274] ФИГУРЫ 7А-7F представляют собой результаты по рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС) для прокаленного нефтяного кокса, кофе, подвергнутого предварительной обработке, и углеродной сажи до и после способа ДФН. Исходя из FG из углеродной сажи видно значительное уменьшение количества загрязнителей, то есть, имеет место значительное уменьшение количества элементов, отличных от углерода в FG. Углерод характеризуется высокой температурой сублимирования, составляющей приблизительно 3900 К. Другие элементы, такие как алюминий или кремний, улетучиваются при менее, чем 3000 К.

[0275] Как это продемонстрировал термогравиметрический анализ (ТГА) на воздухе, продукты FG были более окислительно-стойкими, чем материалы, из которых их производили, (ФИГУРЫ 8А-8D), и они являются более стабильными, чем восстановленный оксид графена (RGO), изготовленный при использовании способа Хаммерса. [Advincula 2018]. На ФИГУРЕ 8А кривые ТГА 801-802 относятся к CB-FG и СВ исходного сырья, соответственно. На ФИГУРЕ 8В кривые ТГА 803-804 относятся к графену антрацит-FG и антрациту исходного сырья, соответственно. На ФИГУРЕ 8С кривые ТГА 805-806 относятся к CC-FG и прокаленному коксу исходного сырья, соответственно. На ФИГУРЕ 8D кривые ТГА 807-808 относятся к графену кофе-FG и кофе, подвергнутому предварительной обработке, соответственно.

[0276] При использовании углеродной сажи, антрацитового угля и кофе имело место значительное уменьшение конечной массы между материалом предшественника и произведенным графеном FG. Как это демонстрируют результаты по РФС для остатка при ТГА, остаток при ТГА от графена антрацит-FG содержит С (15%), О (62%), Si (11%) и Al (12,6%); а остаток от графена кофе-FG содержит С (65%), О (25%), S (2,9%) и Р (2%). В некоторых случаях детектировали остатки оксида кремния, которые имели своим происхождением изношенные кварцевые ампулы после многократных использований. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 8Е, остаток при ТГА от кофе-FG анализировали при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния, что продемонстрировало формирование его в значительной степени графеном. Как это полагалось, удаление газообразных водорода, азота и кислорода во время способа ДФН могло вносить свой вклад в формирование больших и тонких графеновых листов в графене FG, произведенном из кофе, поскольку это могло бы предотвратить упаковку графеновых слоев в стопку, что, тем самым, допускает дальнейший рост. [Harris 2017; Lin 2014; Luong 2018].

Механизм роста FG

[0277] Для оценки механизма быстрого роста флэш-графена применяли крупномасштабные моделирования при использовании межатомного потенциала AIREBO [Stuart 2000; Brenner 2002] в соответствии с воплощением в пакете LAMMPS. [Plimpton 1995]. Использовали систему ДФН, которая продемонстрирована на ФИГУРАХ 2А-2D, (что обсуждалось выше). Внутри кварцевой ампулы два неплотно подогнанных электрода сжимали источник углерода при использовании двух затычек из медной ваты или графитовых дистанционных ограничителей для вхождения в контакт с источниками углерода при обеспечении возможности дегазации для летучих материалов. Усилие сжатия было управляемым при использовании модифицированного небольшого зажимного приспособления таким образом, чтобы свести к минимуму сопротивление образца до значения в диапазоне от 1 до 1000 Ом, и представляло собой важный фактор получения хорошей реакции при флэш-воздействии (от 0,004 до 4 См⋅см^-1). Для управления временем разрядки использовали механическое реле, характеризующееся миллисекундным программируемым временем задержки. Всю реакционную камеру для образца располагали внутри контейнера низкого давления (вакуумный пластмассовый эксикатор) для безопасности и облегчения дегазации. (Однако, способ ДФН равным образом хорошо работает и при 1 атм.). Батарея конденсаторов состояла из 20 конденсаторов при совокупной емкости 0,22 Ф. Каждый конденсатор имел свой собственный переключатель, который был включенным. Батарею конденсаторов заряжали при использовании источника постоянного тока, способного достигать 400 В. При использовании большой кварцевой ампулы диаметром в 15 мм, используя способ ДФН, добивались синтеза FG в 1 грамм при расчете на одну партию.

[0278] Все переключатели представляли собой размыкатели цепей, которые согласовывались по номиналу для напряжения и силы тока. Максимальные использованные напряжения зарядки и спуска заряда составляли приблизительно 400 В, в то время как максимальные силы тока составляли 0,7 А и 0,1 А, соответственно. Импульсное напряжение разрядки на образец составляло приблизительно 400 В, и сила тока мог достигать вплоть до 1000 А за менее, чем 100 мсек. Во избежание выбросов по току при одновременном использовании механического реле применяли катушку индуктивности в 24 мГн. При отсутствии катушки индуктивности механическое реле могло быть подвержено высокоамперному дугообразованию во время промежуточного замыкания цепи. Для защиты катушки индуктивности от скачкового напряжения при выключении тока параллельно с катушкой индуктивности соединяли диод и низкоомный резистор с надлежащими номиналами. В дополнение к этому, для защиты конденсатора от обратной полярности в случае осциллирующего затухания, которое может иметь место при быстрой разрядке, параллельно с батарей конденсаторов располагали надлежащий диод.

[0279] Некоторые из полученных структур демонстрируются на ФИГУРАХ 9А-9D. На ФИГУРАХ 9А-9D изображается структура образца после отжига при 3000 К для углеродных материалов различных плотностей: ФИГУРА 9А соответствует 0,8 г⋅см^-3, губкообразная структура; ФИГУРА 9В соответствует 1,1 г⋅см^-3; ФИГУРА 9С соответствует 1,5 г⋅см^-3, высокая степень графитизации. ФИГУРА 9D демонстрирует углеродную сажу при плотности 0,8 г⋅см^-3 и большой макропористости после продолжительного (5 × 10^{- 9} сек) отжига при 3600 К, очевидно присутствие многоугольных окаймлений. Материалы низкой плотности приводили к получению губкообразной структуры (ФИГУРА 9А) во время отжига, в то время как увеличенная плотность приводит к получению высокого уровня графитизации (ФИГУРА 9С). В образце СВ низкой плотности имел место высокий уровень графитизации, где значительно увеличенная локальная плотность объединялась с высокой макропористостью (ФИГУРА 9D). ФИГУРА 9G демонстрирует структуру при 1,5 г⋅см^-3 после отжига при 5000 К, при этом первоначальная структура является той же самой, что и для ФИГУРЫ 9С.

[0280] В дополнение к этому, способ отжига количественно охарактеризовывали при использовании соотношения sp²/sp³ во время моделирования. ФИГУРЫ 9Е-9F демонстрируют изменение структурного состава материалов во время отжига при различных плотностях и температурах. Как это было установлено, на способ формирования графена оказывалось сильное негативное воздействие при пониженных температурах (при менее, чем 2000 К), но он значительно ускорялся при повышенной температуре (5000 К). (ФИГУРА 9G демонстрирует структуру при 1,5 г⋅см^-3 после отжига при 5000 К, при этом первоначальная структура является той же самой, что и на ФИГУРЕ 9С). Непрерывное залечивание дефектов во время ДФН для случая углеродной сажи в результате приводит к постепенному превращению первоначально шероховатых сферических центроидных частиц в многогранные формы (ФИГУРА 9D), которые на полученных при использовании метода ПЭМ изображениях для экспериментального материала могли бы проявляться в виде окаймлений при ясно определенных углах (смотрите ФИГУРЫ 1В и 1Е), что дополнительно подтверждает малодефектную природу произведенных материалов.

Графен

2D-материал

[0281] Несмотря на частое изображение графена в виде одиночного листа углерода он имеет вид одиночного изолированного листа в общем случае только в специализированных лабораторных условиях. В любом существенном способе производства, таком как способ, раскрытый и изложенный в настоящем документе, графен может иметь форму агрегатов. Сфера настоящего изобретения определила графен в качестве 2-мерного (D) материала в противоположность углеродным нанотрубкам в качестве 1-D-материала и графита в качестве 3-D-материала. [Novoselov 2004; Allen 2009; Partoens 2006; Malard 2009]. При сохранении sp²-углеродными листами внутри данных агрегатов электронной структуры 2-D-, а не 3-D-материала в качестве предшествующего слова используется описательное прилагательное таким образом, как в словосочетаниях двуслойный графен, малослойный графен, N-слойный графен; а для случая случайной ориентации примыкающих листов, а не их упаковки в стопку АВ используются несколько различных прилагательных с одним и тем же значением, таких как: разориентированный [Partoens 2006], скрученный [Yan 2013], повернутый [Kim 2012], вращательно нарушенный [Kato 2019; Niilisk 2016], слабо сочлененный [Kiselov 2014] и турбостратный [Garlow 2016]. Несмотря на варьирующуюся терминологию на современном уровне техники имеется согласие с тем, что во всех случаях отдельные слои сохраняют свои 2-D-свойства при упаковке слоев в стопку случайным образом. Таким образом, использование термина «графен» в настоящем документе для такой упаковки слоев в стопку обосновывается в научной литературе ведущими учеными в данной сфере, даже при наличии множества слоев.

[0282] ФИГУРА 10А представляет собой иллюстрацию графеновых решеток 1001-1002 с упорядоченностью при упаковке слоев в стопку АВ. ФИГУРА 10В представляет собой иллюстрацию графеновых решеток 1001-1002, которые располагаются при упаковке слоев не в стопку АВ или являются турбостратными. Данные иллюстрации были воспроизведены из публикации Hao 1990.

[0283] Спектр комбинационного рассеяния обеспечивает непосредственное отслеживание электронной структуры, а также позволяет совершенно однозначно идентифицировать 2-D-природу данных агрегатов. Спектроскопия комбинационного рассеяния представляет собой «золотой стандарт» в качестве средства диагностики графена, который появляется в экспериментальных исследованиях. [Malard 2009; Kim 2012; Kato 2019; Niilisk 2016; Ferrari 2006; Ferrari 2007; Kudin 2008; Ni 2009; Ferrari 2013]. Это обуславливается тем, что она представляет собой непосредственный зонд для структуры электронной полосы графена, которая, в свою очередь, играет центральную роль в уникальном характере данного 2-D-материала.

[0284] 2-D-материал составляют не физические размеры или количество атомных слоев, а скорее свойства, в особенности электронные свойства. Графен характеризуется наличием 2-D-газа фермионов Дирака. [Novoselov 2005]. 2-D-материалом является тот материал, который демонстрирует высокую анизотропию подвижности электрона таким же образом, как углеродные нанотрубки представляют собой 1-D-материал вследствие высокой подвижности в одном направлении. Для графена подвижности являются баллистическими в плоскости х-у, но при упаковке слоев в стопку подвижности по оси с является очень намного меньшей. И турбостратный графен характеризуется наибольшей анизотропией из всех и даже для множества слоев остается полностью 2D-материалом с баллистической подвижностью в двух направлениях и удельной проводимостью в третьем измерении, меньшей на множество порядков величины.

[0285] Как это продемонстрировали экспериментальные измерения авторов Kim et al., при упаковке графеновых листов в стопку скрученным образом сохраняется чрезвычайно большая анизотропия между баллистическими электронами в плоскости и соответствующими электронами, пытающимися пересечь интервал между слоями. [Kim 2012]. Они сообщили об удельном сопротивлении, составляющем приблизительно 10^-3 ом-метр, для HOPG, что является удельным сопротивлением, на ~ 5 порядков величины большим, чем соответствующая характеристика меди, и межслоевое удельное сопротивление опять-таки является на 4 порядка величины большим. Тем не менее, транспортирование в плоскости для турбостратного графена остается для электронов баллистическим.

[0286] Как это также сообщалось прежде, для графена при упаковке слоев в стопку АВ (также называемого согласованным графеном или графеном Бернала) 2-D-свойства однослойного графена (SLG) или малослойного графена (FLG) постепенно переходят к свойствам 3-D-материала при эволюции спектров комбинационного рассеяния в соответствующий спектр, характеристический для HOPG при приблизительно 10 слоях. [Partoens 2006; Novoselov 2005]. Однако, данное эмпирическое правило не применяется к турбстратному графену. Вследствие слабого сочленения отдельных слоев они сохраняют 2-D-характер, независимый от количества слоев при их упаковке в стопку. [Kim 2012; Niilisk 2016]. 2D-пик сохраняет свою узкую лоренцеву форму линии, и никаких дополнительных состояний не вводится в конус Дирака в точке К. Таким образом, в спектре комбинационного рассеяния для 2D-пика сохраняется одиночный пик, который является усиленным в результате двойного резонанса, что приводит к его значительному усилению. И это сохраняет полупроводник с нулевой шириной запрещенной энергетической зоны. В противоположность этому, при упаковке двух слоев в стопку АВ сильное взаимодействие создает дополнительные состояния с параболической формой в окрестности точки К, что делает возможным большее количество переходов. 2D-пик становится суммой из четырех лоренцианов - двух сильных и двух слабых, и он существенно уширяется при одновременной утрате своей лоренцевой формы линии. В исследованиях сообщалось о вращательно разориентированном графене, в некоторых случаях при использовании оригинального способа складывания одиночного листа, что гарантирует рассогласование. В качестве результата плохого перекрывания атомных 2р-орбиталей два листа сохраняют свои характеристики SLG. [Kim 2012; Niilisk 2016; Garlow 2016].

[0287] Присутствие или отсутствие определенных относительно слабых полос спектра комбинационного рассеяния представляют собой положительные индикаторы наличия турбостратного графена:

В качестве отличительных характеристик турбостратного графена использовали моды комбинационного рассеяния для только что выращенного графена в пределах частотного диапазона от 1650 см^-1 до 2300 см^-1 совместно с признаками 2D-моды комбинационного рассеяния.

Комбинация из плоской поперечной акустической (iTA) и продольной оптической (LO), iTa и продольной акустической (LA) и LO+LA мод. Моду iTALO обозначают как TS₁, а моды iTOLA/LOLA обозначают как TS₂.

[0288] TS₁ и TS₂ могут быть использованы в качестве положительных индикаторов. Обозначения TS₁ и TS₂ используются в настоящем документе для указания на данные два признака, которые являются активными в спектроскопии комбинационного рассеяния только для SLG и турбостратного графена. TS₁ представляет собой один лоренциан, который имеет место в окрестности 1880 см^-1, а TS₂ состоит из двух близко расположенных лоренцианов, которые имеют место в окрестности 2030 см^-1. Необходимо помнить о том, что данные линии обнаруживают дисперсию, подобно множеству характеристических особенностей спектроскопии комбинационного рассеяния для графена. Всегда должна быть отмечена длина волны возбуждения, и при сопоставлении частот пиков должны быть использованы поправки на дисперсию. В дополнение к этому, имеет место «М»-полоса в области приблизительно 1750 см^-1, но данная составная полоса становится скрытой для турбостратного графена. Таким образом, присутствие М-полосы является отрицательным индикатором для турбостратного графена и положительным индикатором для графена при упаковке слоев в стопку АВ, а также HOPG.

Турбостратный графен

[0289] Турбостратный графен даже при наличии множества слоев представляет собой поистине 2-D-материал, в результате чего электроны перемещаются при полной свободе подобно газу Ферми с нулевой массой в двух направлениях, но в действительности неспособны перемещаться перпендикулярно им. Наиболее затруднительным является отыскание любого другого материала, который является настолько же чистым 2D-материалом, как и многослойный турбостратный графен. Турбостратное свойство графена FG делает намного более легким расслаивание в композитах и растворителях и придает ему различные электронные, оптические и структурные свойства в соответствии с представленным ниже описанием изобретения в настоящем документе и, таким образом, представляет собой ключевое качество данного крупносерийного синтезированного турбостратного графена FG.

[0290] D-пик для турбостратного графита является намного большим, чем как G-пик, так и 2D-пик, что является совершенно противоположным тому, что имеет место для образцов турбостратного графена заявителей, которые имеют D-пик, который является очень намного меньшим, чем G-пик, который, в свою очередь, является меньшим, чем 2D-пик. [Kumar 2013]. Спектроскопия комбинационного рассеяния представляет собой зонд для колебательных движений в атомной структуре, таким образом, огромный D-пик доказывает то, что отдельная графеновая решетка является сильно разрушенной в турбостратном графите. Он является кардинально разупорядоченным в наноразмерной шкале. И вот почему исследователи сожалеют о том, что медленное развитие сферы исследования в очень многообещающей области турбостратного графена было обусловлено трудностью получения материала. [Kato 2019; Garlow 2016]. То есть, турбостратный графен может быть произведен только в крошечных количествах при использовании ХОПФ или эпитаксиального роста. Смотрите также патентную заявку Tour ‘821, в которой производили лазерно-индуцированный графен, который был турбостратным, где данный способ не являлся способом крупносерийного синтеза в том смысле, что лазер мог создавать только его поверхность толщиной в 20 микронов, и по истечении целого дня лазерной обработки могло быть произведено менее, чем 1 грамм.

[0291] И равномерный рост в таких тщательно соблюдаемых условиях не обеспечивает наличия турбостратного материала. Одна группа, которая была способна попытаться получить толщину 10 слоев графена при использовании ХОПФ на никелевой фольге, получила различные результаты - иногда графен при упаковке слоев в стопку АВ, иногда турбостратный графен, а иногда смесь из них обоих. [Niilisk 2016].

[0292] Как это подтверждает спектр комбинационного рассеяния, FG-способ настоящего изобретения может производить большие количества турбостратного графена. ФИГУРА 11 демонстрирует турбостратные пики в спектре комбинационного рассеяния для флэш-графена, произведенного из углеродной сажи. На ФИГУРЕ 11 I_G/TS1 составляет ~ 30, и демонстрируется аппроксимация лоренциана в виде наложенной поверх гладкой линии. Коэффициент детерминации составляет 0,994 для TS₁ и 0,99 для TS₂. Данные превосходные аппроксимации указали на высокое качество материала и на несомненное присутствие линий спектра комбинационного рассеяния для турбостратного графена. ФИГУРА 11 также демонстрирует отсутствие М-пика, что представляет собой дополнительный индикатор для турбостратного графена.

[0293] ФИГУРЫ 12А-12В демонстрируют 2D-пик в спектре комбинационного рассеяния для флэш-графена, произведенного из углеродной сажи. ФИГУРА 12А демонстрирует наилучшую точку для CB-FG, а ФИГУРА 12В демонстрирует репрезентативную точку для CB-FG. Оба пика обнаруживают по существу безупречную лоренцеву форму линии. Точки на ФИГУРАХ 12А-12В представляют собой теоретическую форму линии. R² для корреляции составляет 0,999 у обоих пиков. Это указывает на полностью конический конус Дирака в точке К.

[0294] Узкий одиночный лоренцев 2D-пик может иметь место только либо для SLG, либо для турбостратного графена, при этом соседние слои разъединяются и не приводят к возникновению дополнительных электронных состояний. Это, в свою очередь, означает сохранение безупречно 2-мерного графена FG даже несмотря на наличие множества слоев графена при упаковке их в стопку. Для ФИГУРЫ 12А полная ширина на половине высоты (ПШПВ) максимума лоренциана фактически стала уже, чем для безупречного графена SLG. Данное сужение представляет собой уникальный признак вращательно рассогласованного графена, который характеризуется упаковкой слоев в стопку и имеет место только для турбостратного графена.

[0295] ТАБЛИЦА III представляет собой сопоставление 2D-, TS₁- и TS₂-пиков для графена FG, изготовленного при использовании FG-способа, раскрытого в настоящем документе, с турбостратным графеном, изготовленным в предшествующих исследованиях, [Niilisk 2016; Garlow 2016]. Местоположение пика из предшествующих исследований, которые использовали лазер с возбуждением при 514 нм, корректируют для согласования с лазером с возбуждением при 532 нм в данном исследовании.

ТАБЛИЦА III

2D TS₁ TS₂ Местоположение ПШПВ Местоположение ПШПВ Местоположение ПШПВ Niilisk 2016 2697 36 1886 34 2030 54 Garlow 2016 2702 27 1884 38 2031 51 FG-способ 2699 15-26 1886 34 2031 53

[0296] Исходя из сопоставления спектров FG с данными из двух различных ссылок [Niilisk 2016; Garlow 2016] местоположения и значения ПШПВ для двух TS (турбостратных)-пиков были по существу идентичными в обоих случаях. Местоположение 2D-пика было тем же самым, при этом более широкий лоренциан для FG согласуется со значением ПШПВ соответствующего лоренциана из публикации Garlow 2016. В сопоставлении с публикацией Niilisk 2016, в которой речь идет о приблизительно 10 слоях турбостратного графена, опять-таки имело место идентичное согласование с пиками TS₁ и TS₂ как по частоте, так и по ширине. Для 2D также имело место согласование по частоте, хотя пик является несколько более широким для публикации Niilisk. И для обеих ссылок [Niilisk 2016; Garlow 2016] отсутствовал М-пик, который был характеристическим как для графена при упаковке слоев в стопку АВ, так и для высокоупорядоченного пиролитического графита (HOPG). И М-пик также отсутствовал и в спектрах FG. Поэтому имело место несколько точных и дублирующих корреляций между данными по спектроскопии комбинационного рассеяния для трубостратного графена FG и двумя ссылками [Niilisk 2016; Garlow 2016], которые получили спектры комбинационного рассеяния от подтвержденного турбостратного графена. В дополнение к этому, сужение значения ПШПВ лоренциана для 2D представляло собой дополнительное обоснование турбостратной упаковки слоев в стопку в виде 2-мерного материала.

[0297] Помимо этого, для способа детонирования углеродсодержащего материала, раскрытого и изложенного в патенте Sorensen ‘857 (для производства графена с высоким выходом), как не упоминается, так и не выявляется формирование турбостратного графена. Действительно, патент Sorensen ‘857 не демонстрирует результаты по ПЭМ для малослойного графена; не демонстрирует результаты по ЭДОУ (электронная дифракция на отдельных участках) для рассогласованного малого числа слоев; и не демонстрирует пики TS₁ и TS₂ от турбостратного графена. Вернее сказать, 2D-полоса спектра комбинационного рассеяния на ФИГУРЕ 14 из патента Sorensen ‘857 является намного более широкой, чем соответствующая полоса для однослойного графена и увеличивается до значения в диапазоне от 43 см^-1 до 63 см^-1. Это характеристично для либо кристаллического графена при упаковке слоев в стопку АВ, либо турбостратного графита, в то время как турбостратный графен демонстрирует ширину полосы, характеризующуюся подобным или более узким значением ПШПВ в сопоставлении с однослойным графеном, которая будет составлять значительно менее, чем 43 см^-1. Все это обосновывает то, что патент Sorensen ‘857 не обеспечивает производство турбостратного графена в сопоставлении с малодефектным турбостратным графеном, произведенным при использовании FG-способа настоящего изобретения. Под малодефектностью заявители подразумевают то, что отдельные графеновые листы представляют собой преимущественно sp²-гибридизованные атомы углерода. А после этого данные отдельные листы располагаются при упаковке в стопку преимущественно турбостратным образом друг по отношению к другу при незначительной степени упаковки слоев в стопку АВ, наблюдаемой в образце.

[0298] В соответствии с представленным выше описанием изобретения другие исследователи изготовили очень маленькие образцы турбостратного графена в результате выращивания отдельных листов графена при использовании способа ХОПФ или в результате расслаивания графита и расположения одного листа графена на другом разориентированным (турбостратным) образом. Или в результате отбора одного листа графена, выращенного при использовании ХОПФ, или графена, полученного в результате расслаивания графита, и складывания его поверх себя разориентированным (турбостратным) образом. Но отсутствовали крупносерийные синтезы разориентированного или турбостратного графена, где основная часть графена в крупносерийном образце является турбостратной.

Системы непрерывного/автоматизированного синтеза

[0299] Масштабирование для способа ДФН может быть проведено в результате увеличения размера кварцевой ампулы. При использовании кварцевых ампул диаметром 4 мм, 8 мм и 15 мм синтезировали 30 мг, 120 мг и 1 грамм FG при расчете на одну партию. ФИГУРА 13А демонстрирует количество CB-FG от трех размеров ампул (при использовании ампул 1301-1303, имеющих диаметры 4 мм, 8 мм и 15 мм, соответственно), а также плоской ампулы 1304, имеющей размеры 3 × 6 мм. Для каждого случая проводили два отдельных синтеза; один синтез оставался в ампулах (ампулы 1301-1304), а другой синтез переводили в пластмассовые чашки (чашки 1305-1308, соответственно). Количества, синтезированные при расчете на одну партию, составляли 0,003 грамма, 0,1 грамма, 1 грамм и 0,1 грамма для трубок 1301-1304, соответственно. Более кратковременное флэш-воздействие для меньшей ампулы в результате приводит к получению графена FG, характеризующегося большим значением I_2D/G. Для увеличения размера партии при одновременном выдерживании качества FG полезными были плоские ампулы, которые обеспечивают более высокую скорость охлаждения.

[0300] В целях промышленного производства способ может быть автоматизирован для непрерывного синтеза FG. ФИГУРА 14 представляет собой один вариант осуществления автоматизации FG-способа. ФИГУРА 14 представляет непрерывный конвейерный FG-способ, который включает конвейер 1408 и зубчатые колеса (первое зубчатое колесо 1401 и второе зубчатое колесо 1402) для высокой производительности в системе ДФН. Вращательное движение зубчатых колес 1401-1402 синхронизируют с перемещением конвейера 1408, и имеются раздельные зубчатые колеса для предварительного нагревания и флэш-воздействия. То есть, первое зубчатое колесо 1401 имеет электроды 1413 для сжатия и предварительного нагревания, а второе зубчатое колесо 1402 имеет электроды 1414 для импульса ДФН. Как это полагается, скорость может составлять, по меньшей мере, 60 имп./сек.

[0301] Конвейер 1408 имеет кварцевые (или керамические) ампулы 1405, которые могут быть выдернуты и заменены. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 14, кварцевые ампулы 1405 могут быть установлены на удалении от зубчатых колес 1401-1402 на пружине, характеризующейся малофрикционной посадкой и выступающей за пределы цилиндрического электрода. Это формирует стакан с расположением электрода 1412 на дне кварцевых ампул 1405, и порошковый питатель 1404 отмеривает подачу предшественника в кварцевый стакан 1405. Отмеривающий питатель мог бы представлять собой винтовой шнек, зацепляющиеся зубчатые колеса или поршневой питатель и в типичном случае является прямым, поскольку имеется широкий спектр доступных порошковых питателей.

[0302] Конвейер 1408 может перемещаться роликами 1407, которые могут быть металлическими. При задействовании электрода 1413 в первом зубчатом колесе 1401 он проникает в верх кварцевого стакана 1405, сжимая порошкообразного предшественника. При задействовании электрода 1414 во втором зубчатом колесе 1402 электрический импульс превращает образец в FG. Система включает последовательность из газоструйных компонентов 1403, которые могут дуть холодным газом на различные электроды (электроды 1412-1414). Дутье воздухом из газоструйных компонентов 1403 также может быть использовано для очищения кварцевых стаканов 1405 и удаления частиц. (Также необязательным является и разбрызгивание воды). Для удаления FG из кварцевых стаканов кварцевый стакан может быть опущен (что продемонстрировано в виде кварцевого стакана 1409 на ФИГУРЕ 14), и при использовании потока газа из сопла 1410 FG удаляют из кварцевого стакана 1409 и собирают в собирательном бункере 1411.

[0303] Поскольку горячие атомы углерода являются сильно восстанавливающими и коррозионно-активными, кварцевые стаканы 1405 могут быть повреждены. Колесо или механическая рука-манипулятор 1406 могли бы выдергивать, например, каждый десятый очищаемый или заменяемый кварцевый стакан при свежей подаче добавляемых чистых стаканов дальше по ходу вращения конвейера 1128. При наличии такой простой схемы замены подходящим для использования может оказаться боросиликат с небольшим коэффициентом расширения (пирекс) (пирекс был подвергнут испытаниям, и он работает хорошо), который является намного менее дорогостоящим, чем кварцевые ампула/стакан. Поскольку повреждение имеет тенденцию к накоплению, частое очищение кварцевого стакана может обеспечивать наличия множества циклов повторного использования.

Системы трехфазного питания переменного тока

[0304] Масштабирование для флэш-графена может включать импульсы высокой мощности. Коммерческое и промышленное питание в Соединенных Штатах является трехфазным, при 60 Гц и смещении каждой синусоидальной волны на 120 градусов. Этому свойственно преимущество, заключающееся в подаче равномерного питания при использовании всех трех фаз. Для систем высокой мощности предпочтительным является избегание наличия несбалансированной нагрузки, при котором используют одну или две из трех фаз, а другое не используют.

[0305] Может быть использовано однофазное питание, при синусоидальной волне в 60 Гц, каждый полупериод характеризуется продолжительностью в 1/120 секунды. Мощность проходит через ноль 120 раз в секунду, и нагревание не является равномерным по времени. Добавление полупериодов также добавляет приращения при 8,33 мсек, что является более значительным изменением энергии импульса в сопоставлении с трехфазным питанием. В случае получения одной фазы от одного провода и общего провода это будет либо 120 вольт, либо 277 вольт. В случае использования двух из трех цепей это будет все еще одна синусоидальная волна, при этом СКЗ-напряжение является большим на квадратный корень из 3=1,732. Это может необязательно оказаться желательным для укрупненных систем вследствие несбалансированной нагрузки на источнике подводимого питания.

[0306] ФИГУРА 15 представляет собой иллюстрацию трех синусоидальных волн трехфазного питания, которое может быть использовано в одном варианте осуществления настоящего изобретения (то есть, кривые 1501-1503 демонстрируют фазу 1, фазу 2 и фазу 3 (при 60 Гц), соответственно, при этом кривая 1504 демонстрирует общий провод (или нейтральный провод)). Трехфазное питание использует три цепи или провода. Фазы 1-3 смещены на 120° и разделены на 1/180 секунды. Для лабораторного питания это может быть 120 вольт (СКЗ) по отношению к заземлению и 208 вольт (СКЗ) между фазами (токонесущими проводами). В отличие от одной фазы, которая приходит к нолю 120 раз в секунду, трехфазное питание является равномерным.

[0307] Трехфазное питание доступно для нескольких напряжений. Для промышленных систем большей мощности могут быть использованы 480 вольт (СКЗ) между фазами, что представляет собой также 277 вольт (СКЗ) по отношению к общему проводу (или нейтральному проводу). Также в промышленности используют 575 вольт (СКЗ). На линиях распределения и передачи в типичном случае используют 5 кВ или 12 кВ (СКЗ) между фазами.

[0308] Для производства флэш-графена выбирают продолжительность импульса, который после этого подвергают двухполупериодному выпрямлению для подачи на образец питания постоянного тока.

[0306] ФИГУРА 16 представляет собой иллюстрацию, демонстрирующую три фазы при масштабировании для FG, что представляет собой аппарат для управления продолжительностью импульсов со следующим далее выпрямлением в FG-способе для изготовления FG 1603. Аппарат имеет три реле с контролем перехода через ноль (реле 1601а-1601с), которые не требуют (или не нуждаются в) точной синхронизации. Реле 1601а-1601с имеют, соответственно, фазные входы 1605а-1605с, которые представляют собой трехфазный вход, и которые могут иметь 208 вольт между фазами. Требуется один пусковой генератор 1602. Диоды 1604 используют для двухполупериодного выпрямления. Выпрямление до постоянного тока требуется для наличия двух выводов (положительного вывода 1608 и отрицательного вывода 1609).

[0310] Реле с контролем перехода через ноль 1601а-1601с используют для включения каждой фазы. Данные твердотельные реле 1601а-1601с разрабатывают для включения при прохождении напряжения для фазы через ноль таким образом, что сила тока составляет приблизительно ноль при замыкании или размыкании реле. Реле не переключается при наличии высокоамперного тока. Переходу через ноль может предшествовать импульс из пускового генератора 1602. Реле 1601а-1601с могут быть привязаны к общему проводу или заземляющему проводу при их включении или выключении. Пусковой генератор отключается 1602, завершая импульс для флэш-графена, а реле 1601а-1601с размыкаются при прохождении напряжения через ноль. Шесть силовых диодов 1604 превращают три синусоидальные волны переменного тока в непрерывный постоянный ток для флэш-графена 1603.

[0311] ФИГУРА 17 представляет собой иллюстрацию формирования импульса для флэш-графена 1706 от трехфазного питания (импульсы для фаз 1-3 демонстрируются на волнообразных кривых 1701-1703). При трехфазном питании используют три провода, при этом каждая синусоидальная волна (продемонстрированная кривыми 1701-1703) смещена на 120°. Среднее питание является равномерным. Каждое реле после пускового сигнала ожидает следующего перехода через ноль для включения или выключения в зависимости от конкретных обстоятельств. Данным образом требуется одна команда на включение/выключение.

[0312] Для каждой из волнообразных кривых 1701-1703 пунктирные линии демонстрируют доступное напряжение. При включении каждого реле (вследствие команды включения 1704) сплошные линии кривых 1701-1703 представляют переток мощности. Каждая фаза включается отдельно при прохождении синусоидальной волны переменного тока через ноль вольт по отношению к общему проводу или нейтральному проводу. Каждая выключается отдельно подобным образом вследствие команды выключения 1705 (опять-таки при этом фазы выключаются при прохождении синусоидальной волны переменного тока через ноль вольт по отношению к общему проводу или нейтральному проводу).

[0313] Как это продемонстрировано на диаграмме 1706, время нарастания согласуется с формой синусоидальной волны, таким образом, для включения требуются миллисекунды, что обеспечивает наличие плавного увеличения и плавного уменьшения при выключении реле. При включении всех трех фаз выходная мощность является постоянной. Впоследствии это выпрямляют в целях получения двух проводов для соединения с образцом флэш-графена.

[0314] Совокупную доставляемую энергию подстраивают при использовании количества периодов, которые прошли через реле. Вследствие смещения синусоидальных волн на 1/360 секунды (2,78 мсек) это соответствует поэтапному изменению совокупной энергии импульса.

[0315] ФИГУРА 18 представляет собой одну иллюстрацию, демонстрирующую три фазы при масштабировании для FG, что представляет собой аппарат для управления продолжительностью импульса со следующим далее выпрямлением в FG-способе для изготовления FG 1603, где данный способ демонстрирует непосредственное управление для всех трех реле с контролем перехода через ноль. Данный аппарат подобен аппарату с ФИГУРЫ 16 и включает компьютер 1801 для точного детектирования фазы.

[0316] В альтернативном варианте осуществления, продемонстрированном на ФИГУРЕ 18, при использовании 1801 пусковой генератор 1602 может быть синхронизирован с частотой напряжения сети питания, и на него может быть подана команда включения таким же образом, как при переходе синусоидальной волны через ноль. Вследствие синхронизации всех трех синусоидальных волн друг по отношению к другу могут быть использованы две цепи задержки в целях получения пусковых сигналов для других двух реле. Та же самая система может быть использована для выключения реле.

[0317] При трехфазном питании переменного тока для флэш-графена генератору свойственно преимущество, заключающееся в устранении связи потребности в больших силах тока для крупных образцов с сетями переменного тока. Ротор генератора может характеризоваться большой величиной инерции вращения. Это может обеспечить очень быстрое превращение запасенной механической энергии в электрическую энергию. Генератор мог бы быть ускорен при использовании намного меньшего электрического двигателя, что распределяло бы передаваемую мощность на протяжении периода от нескольких секунд до минут, что является намного меньшим бременем для линий электропередачи. Выходное напряжение можно варьировать в результате уменьшения значения СКЗ или понижения напряжения на обмотке возбуждения в зависимости от дизайна генератора. Может быть добавлен маховик для обеспечения получения импульса увеличенной продолжительности. Однако, для короткого импульса в 100 мсек инерция якоря, вероятно, будет достаточной. Большие коммерческие генераторы обеспечивают получение 3-фазного питания переменного тока при 208 или 480 вольт. Большие промышленные генераторы обеспечивают получение 5 кВ и 13 кВ. Генератор, вероятно, может допускать мгновенные перегрузки по току, которые являются от пяти до десяти раз большими, чем его номинальный непрерывный ток, для получения более мощного импульса.

[0318] В некоторых вариантах осуществления в качестве генератора может быть использован двигатель. Функцию генератора может исполнять трехфазный двигатель, который подает ток обратно в линию питания переменного тока для случая приведения его в действие при использовании внешнего механического источника. Для использования двигателя в качестве обособленного генератора может оказаться необходимой подача слабого тока в обмотки возбуждения для активации магнитного поля. Например, для активации обмоток могут быть использованы три последовательности резисторов. На современном уровне техники легко доступными и известными являются трехфазные двигатели всех размеров.

[0319] В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы генераторы постоянного тока, однако, генератор постоянного тока может быть больше ограничен по выходной силе тока вследствие угольных щеток, соединенных с коллектором к катушкам на якоре, и это также может не позволить работать с высокими выбросами по току. В дополнение к этому, ток потребует переключения при использовании БТИЗ или подобного управляющего модуля.

[0320] В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы однофазные генераторы.

[0321] В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы генераторы на 400 Гц. В летательных аппаратах, некоторых кораблях и вооруженных силах используют генераторы на 400 Гц, которые физически являются намного меньшими для той же самой величины выходной мощности. Однако, генераторы на 400 Гц будут характеризоваться меньшей инерцией вращения и могут увеличить потребность в маховике.

Варианты использования FG

[0322] В то время как в способе лазерного индуцирования получают дефектный лазерно-индуцированный графен [Lin 2014], способ ХОПФ способен обеспечить синтез крупнодоменного однокристаллического графена [Yan 2012]. Способ ДФН ликвидирует временной разрыв по формированию между двумя протоколами синтеза графена: лазерным индуцированием и химическим осаждением из паровой фазы (ХОПФ).

[0323] ФИГУРА 19 представляет собой график, демонстрирующий зависимость время-температура для различных способов синтеза графена. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 19, способ лазерного индуцирования всегда реализуется в пределах миллисекунд при использовании превращения света в тепло, что является многообещающим вариантом для получения дефектных лазерно-индуцированных материалов. ХОПФ и гидротермальный способ обеспечивают возможность медленной атомной перегруппировки и постепенного роста термодинамически стабильных материалов. Однако, в способе флэш-нагревания в пределах секунд может быть достигнут расширенный температурный диапазон. Данное ограниченное время длительности делает возможным синтез метастабильных форм материала, непосредственный синтез которых при использовании ХОПФ или гидротермальных способов вызывает очень большие затруднения, и в данном случае в отсутствие каких-либо дополнительных реагентов.

[0324] Преимущества и улучшения включают то, что впервые в больших масштабах может быть синтезирован графен высокого качества при использовании очень малозатратного, не использующего растворителей и масштабируемого способа. Помимо этого, способ также демонстрирует синтез графена из источников углерода в отсутствие катализатора. Кроме того еще, в результате исследования способа ДФН может быть картировано время-температурное фазовое превращение графена из дефектного в упорядоченный графен.

[0325] В некоторых вариантах осуществления негомогенное нагревание может стать причиной возникновения различного качества графена в одной партии. С этим можно бороться, и это можно преодолевать при использовании больших, но тонких образцов. Качество графена также можно увеличить и при использовании множества импульсов таким образом, как 3-5 импульсов в последовательности.

[0326] Настоящее изобретение может быть переведено на коммерческие рельсы при использовании способа запитывания гранулами, который обеспечивает флэш-нагревание малоценного исходного материала для получения высококачественный графена, и материал выталкивают под действием электродного поршня, а после этого проводят повторное запитывание для осуществления способа еще раз. Для увеличения скорости способа могут быть использованы намного более крупные батареи конденсаторов вследствие возможности уменьшения их времени зарядки. Могут быть добавлены гетероатомы, такие как азот в форме меламина или меламиноформальдегидной смолы, что приводит к получению графена, легированного азотом, или фосфины, что приводит к получению графена, легированного фосфором. Могут быть добавлены металлические соли, что приводит к получению графена, легированного металлическими наночастицами, или графена, легированного одиночными атомами металла. Два способа, такие как легирование азотом и легирование атомом металла, зачастую действуют согласованно, что приводит к получению более стабильного графена, легированного металлом или атомом металла. [Han 2018; Ye 2018; J. Zhang 2018; J. Zhang 2017; C. Zhang 2017].

[0327] Вариации настоящего изобретения включают: улучшение гомогенности продукта; использование углеродного материала, характеризующегося большой удельной площадью поверхности, с активированием при использовании КОН; использование других источников углерода; и увеличение выхода при использовании множества флэш-воздействий. «Источник углерода» является источником, который характеризуется массовым уровнем содержания углерода, составляющим, по меньшей мере, 10%. Предпочтительно источник углерода содержит, по меньшей мере, 80% (масс.) углерода. Кроме того, вместо использования систем постоянного тока (постоянного напряжения) для флэш-воздействия также были использованы и электрические системы переменного тока (переменного напряжения), и они работают равным образом хорошо.

Дисперсии

[0328] FG диспергируют в растворе вода/Pluronic (F-127) (1%) при концентрациях в диапазоне от 1 до 10 г⋅л^-1. Получения данной дисперсии легко добиваются вследствие турбостратной природы FG, где слои являются не настолько прочно сочлененными друг с другом в результате взаимодействий ван дер Ваальса, как это можно видеть для графена при упаковке слоев в стопку АВ, а, в частности, графена при упаковке слоев в стопку АВ или наночастиц графита, полученных при использовании способов расслаивания графита. Смесь подвергали ультразвуковой обработке в ультразвуковой ванне на протяжении 40 минут для получения темной дисперсии. Дисперсию центрифугировали при использовании центрифуги Beckman Coulter Allegra X-12 при 1500 об./мин на протяжении 30 минут для удаления агрегатов. Супернатант анализировали при использовании устройства UV-VIS (Shimadzu). Дисперсии разбавляли в 500 раз и регистрировали оптическое поглощение в области 660 нм. Для вычисления концентрации графена в растворе использовали коэффициент экстинкции α₆₆₀=6600 л⋅г^-1⋅м^-1. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 13В, графен FG был признан диспергируемым в воде/поверхностно-активном веществе (Pluronic F-127) для получения высококонцентрированных дисперсий, достигающих 4 г⋅л^-1. ФИГУРА 13Е представляет собой фотографию для 4 г⋅л^-1 CB-FG (с ФИГУРЫ 13В) после центрифугирования (флакон 1309) в сопоставлении с коммерческим образцом при 10 г⋅л^-1 после центрифугирования (флакон 1310). Коммерческий графен не диспергировался.

[0329] Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 13С, вследствие своей турбостратной природы графен FG демонстрирует высокую степень диспергируемости в широком диапазоне органических растворителей (NMP (N-метилпирролидон) 1311, ксилол 1312, DCB (дихлорбензол) 1313 и DMF (диметилформамид) 1314). Дисперсии FG имеют в 4 раза большую концентрацию, чем наиболее концентрированные дисперсии графена, произведенные в результате обыкновенного жидкофазного расслаивания графита, и более, чем в 10 раз большие концентрации, чем множество сообщенных значений для того, что, вероятно, представляло собой наночастицы графена.

Композиты FG

[0330] Как это продемонстрировали композиты FG, маленькие загрузки графена FG значительно усиливают физические свойства композитов, опять-таки в предположении намного более легкого допущения расслаивания вследствие его турбостратных свойств в сопоставлении с тем, что наблюдается для других форм графенов при упаковке слоев в стопку. FG при различных концентрациях диспергировали в 1%-ном растворе вода-Pluronic (F-127). Дисперсию перемешивали при использовании сдвигового смесителя (Silverson L5MA) на протяжении 15 минут при 5000 об./мин. Суспензию графена в воде смешивали с портландцементом при соотношении между водой и цементом 0,40. Суспензию отливали в кубических формах из PTFE с размерами 5 × 5 × 5 см³ (для предела прочности при сжатии) и цилиндрических формах с размерами 2,5 см × 3,8 см (для предела прочности при растяжении). Все кубики и цилиндры извлекали из форм по истечении 24 часов и располагали в воде для отверждения на протяжении еще 24 часов. Пределы механической прочности при сжатии и растяжении измеряли по истечении 7 дней. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 13D, композиты CB-FG/цемент, содержащие 0,1% FG, характеризуются приблизительно на 35% большим пределом прочности при сжатии (диаграмма 1315) и на 19% большим пределом прочности при растяжении (диаграмма 1316), чем у контрольного образца, свободного от FG. Данные усиленные значения предела прочности при сжатии и растяжении являются почти что в 3 раза большими, чем значения усиления, сообщенные для других композитов графен/цемент при той же самой загрузке графена.

[0331] ФИГУРЫ 20А-20В представляют собой полученные при использовании метода СЭМ изображения для композитов CB-FG/цемент, которые демонстрируют гомогенное распределение FG в матрице цемента. Большое усиление свойств композитов CB-FG/цемент опять-таки, как это представляется, обуславливается высокой диспергируемостью турбостратного графена CB-FG, что в результате приводит к получению гомогенных и стабильных композитов. Гомогенно распределенный листовидный графен FG может исполнять функцию шаблонов для промотирования конгруэнтного роста продуктов на основе гидрата цемента²⁹ [Moghaddam 2017]. В дополнение к этому, существуют литературные свидетельства о том, что ковалентные С-О-связи/сетки между графеном и продуктами на основе гидрата цемента могут изменять гибридизацию графена из sp² в sp³ с образованием ковалентных связей, что значительно усиливает механические свойства композитов. [Hosseini 2019]. Данное изменение совместно с высвобождением электрона в окрестности их межфазной области [Hosseini 2019] может привести к получению гомогенных, взаимно смешанных и интеркалированных композитов, обладающих улучшенными свойствами.

[0332] В дополнение к этому, CB-FG представляет собой эффективный усилитель полимерных свойств; дополнительно предполагающий усиление, видимое исходя из легкости, с которой турбостратный графен может расслаиваться, по отношению к другим компоновкам при упаковке слоев в стопку, таким как упаковка слоев в стопку АВ. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 21, композит 0,1% (масс.) CB-FG/полидиметилсилоксан (PDMS) продемонстрировал приблизительно 250%-ное увеличение предела прочности при сжатии в сопоставлении с PDMS в отсутствие графена.

[0333] C-FG и графен FG, произведенный из прокаленного кокса, также использовали и в качестве электродных материалов в Li-ионном конденсаторе им Li-ионном аккумуляторе.

Ячейки

[0334] Электрохимические эксплуатационные характеристики FG подвергали испытаниям в ячейках CR2032. Все ячейки собирали в перчаточном боксе в аргоновой атмосфере. Литий-ионная ячейка CR2032 включала литиевую фольгу в качестве противоэлектрода, продукт Celgard K2045 в качестве разделителя, 1 моль/л гексафторфосфата лития (LiPF6), растворенного в смеси этиленкарбонат:диметилкарбонат:диэтилкарбонат (EC:DMC:DEC) с составом 1 : 1 : 1 (MTI corporation) в качестве электролита и FG (C-FG и CC-FG) в качестве катода/анода. Катод/анод приготавливали в результате отливки суспензии, которая содержала 80% (масс.) активного материала, 10% (масс.) (Super P, TIMCAL) и 10% (масс.) поливинилидендифторида (PVDF, Alfa Aesar) в N-метил-2-пирролидоне (NMP), на куске фольги Al/Cu. Гальваностатические испытания на разрядку/зарядку проводили в диапазонах напряжения от 0,01 до 3,0 В (по отношению к Li+/Li) для анода и от 1,0 до 3,5 В (по отношению к с Li+/Li) для катода, соответственно. Полные эксплуатационные характеристики конденсатора для флэш-графена в Li-ионном конденсаторе подвергали испытаниям в ячейках CR2032. В целях сборки Li-ионного конденсатора на основе FG анод и катод полуячеек Li-ионного аккумулятора несколько раз подвергали работе в режиме зарядка-разрядка при пребывании анода в состоянии разрядки и пребывании катода в состоянии зарядки. Две ячейки раскрывали внутри перчаточного бокса, повторно собирали в виде Li-ионного конденсатора на основе FG и подвергали испытаниям в диапазоне напряжения от 0,1 до 3,5 В. Емкость Li-ионного конденсатора рассчитывали исходя из совокупной массы анода плюс катода, которые выходили из Li-ионного аккумулятора.

[0335] ФИГУРЫ 22А-22Н представляют собой графики, демонстрирующие FG в Li-ионном конденсаторе и Li-ионном аккумуляторе. Li-ионный аккумулятор изготавливали и подвергали работе в режиме зарядка-разрядка, после этого аккумулятор раскрывали и анод и катод использовали для изготовления Li-ионного конденсатора. ФИГУРА 22А демонстрирует кривые зарядки/разрядки для Li-ионного аккумулятора, включающего аноды (0,01-3,0 В) (кривая 2202) и катоды (1-3,5 В) (кривая 2201) на основе C-FG в полуячейках с фольгой из Li в качестве противоэлектрода и электрода сравнения. ФИГУРА 22В демонстрирует долговременную стабильность для Li-ионного конденсатора на основе C-FG при 20 мА.г^-1. Диаграммы 2203-2204 относятся к зарядке и разрядке, соответственно. Вставка 2205 демонстрирует изменение напряжения с течением времени во время 20-ых и 21-ых зарядки/разрядки. ФИГУРА 22С демонстрирует эксплуатационные характеристики при работе в режиме зарядка/разрядка для Li-ионного аккумулятора, включающего катодную полуячейку на основе C-FG при 30 мА.г^-1. Диаграммы 2206-2207 относятся к зарядке и разрядке, соответственно. ФИГУРА 22D демонстрирует эксплуатационные характеристики при работе в режиме зарядка/разрядка для Li-ионного аккумулятора, включающего CC-FG в качестве анодной полуячейки при 50 мА.г^-1. Диаграммы 2208-2209 относятся к зарядке и разрядке, соответственно.

[0336] ФИГУРА 22Е демонстрирует кривые зарядки/разрядки для Li-ионного аккумулятора, включающего анод (0,01-3,0 В) (кривая 2211) и катод (1-3,5 В) (кривая 2210) на основе графена прокаленный кокс-FG (CC-FG) в полуячейках с фольгой из Li в качестве противоэлектрода и электрода сравнения. ФИГУРА 22F демонстрирует долговременную стабильность для Li-ионного конденсатора на основе СC-FG при 5 мА.г^-1. Диаграммы 2212-2213 относятся к зарядке и разрядке, соответственно. Вставка 2214 демонстрирует изменение напряжения с течением времени во время 20-ых и 21-ых зарядки/разрядки. ФИГУРА 22G демонстрирует эксплуатационные характеристики при работе в режиме зарядка/разрядка для Li-ионного аккумулятора, включающего СC-FG в качестве катода при 25 мА.г^-1. Диаграммы 2215-2216 относятся к зарядке и разрядке, соответственно. ФИГУРА 22Н демонстрирует эксплуатационные характеристики при работе в режиме зарядка/разрядка для Li-ионного аккумулятора, включающего CC-FG в качестве анодной полуячейки при 100 мА.г^-1. Диаграммы 2217-2218 относятся к зарядке и разрядке, соответственно.

[0337] Li-ионный аккумулятор из обоих графенов FG характеризуется гравиметрическими емкостями, составляющими приблизительно 200 мА-час⋅г^-1, в то время как они демонстрируют гравиметрические емкости катода, составляющие приблизительно 15 мА-час⋅г^-1 и приблизительно 10 мА-час⋅г^-1 для C-FG и графена FG, произведенного из покаленного кокса, соответственно. Даже хотя плотность энергии Li-ионного конденсатора составляла только приблизительно 10 Вт-час⋅кг^-1, результат демонстрирует варианты использования графена FG, изготовленного из обильных источников отходов, в передовых областях применения, связанных с энергетикой.

Углеродная сажа-резина-FG

[0338] Смесь из 5% углеродной сажи, объединенной с измельченными покрышками, превращали во флэш-графен при использовании описанных выше протоколов превращения подаваемого исходного сырья в виде пластмассовых отходов. Представленная ниже ТАБЛИЦА IV отражает параметры способа ДФН.

ТАБЛИЦА IV

Исходный материал Первоначальная масса (г) Первоначальное сопротивление (Ом) V Pre Новое сопротивление (Ом) V Flash Dur (мсек) Новое сопротивление (Ом) Конечная масса (г) Материал, получающийся в результате 5% углеродной сажи-резина 0,2 33,7 50, 70, 90, 100, 100 1,0 200 В 500 380 0,108 CB-резина-FG

[0339] ФИГУРЫ 23А-23В представляют собой, соответственно, спектр комбинационного рассеяния и полученное при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния картирование для графена СВ-резина-FG.

[0340] ФИГУРА 24А-24В представляют собой, соответственно, результаты по РДА и спектр комбинационного рассеяния для графенов 5% СВ-резина-FG, 5% СВ-резина (200 мсек)-FG, 5% СВ-резина (300 мсек)-FG и 5% СВ-резина (400 мсек)-FG. РДА демонстрирует характеристические пики графена при увеличении некоторых размерных линий по интенсивности.

2D-материалы

[0341] 2D-материалы, в том числе неграфеновые 2D-материалы, могут быть приготовлены в результате приложения импульса (импульсов) напряжения (то есть, джоулевого флэш-нагревания) к соответствующим предшественникам. Данное джоулево флэш-нагревание обеспечивает синтез миллисекундного масштаба для 2D-материалов (в том числе некоторых материалов с метастабильной фазой), который почти что невозможно осуществить непосредственно при использовании ХОПФ или гидротермального способа при отсутствии содействия от каких-либо реагентов. И цена стратегии синтеза ДФН является намного уменьшенной, а диапазон 2D-материалов, которые могут быть изготовлены, является значительно расширенным, что также является выгодным для множества промышленных областей применения. Исходя из синтезированных материалов существует множество видов областей применения. Например, 1T’-MoS₂ характеризуется повышенной каталитической активностью и лучшими эксплуатационными характеристиками по запасанию энергии в сопоставлении с 2H-MoS₂ [Yu 2018; Chang 2016; Acerce 2015].

[0342] Для приготовления 2D-материалов в случае проводящего предшественника и проводимости, составляющей более, чем 10^-6 См/см, импульс (импульсы) напряжения может быть приложен непосредственно. В случае непроводящего предшественника и проводимости, составляющей менее, чем 10^-7 См/см, предшественник может быть смешан с некоторым углеродным материалом или порошкообразным металлом для увеличения проводимости.

[0343] Длина импульса в общем случае находится в диапазоне между 1 микросекундой и 5 секундами, а, говоря более конкретно, между 10 миллисекундами и 1000 миллисекундами. Количество импульсов в общем случае находится в диапазоне между 1 импульсом и 100 импульсами, а, говоря более конкретно, между 1 импульсом и 10 импульсами. Сила тока в общем случае находится в диапазоне между 0,01 А/см² и 10000 А/см², а, говоря более конкретно, между 0,1 А/см² и 1000 А/см². Напряжение в общем случае находится в диапазоне между 10 В и 4000 В, а, говоря более конкретно, между 100 В и 400 В.

[0344] Проводящие предшественники могут включать железный порошок, молибденовый порошок, металлический вольфрам, металлическую медь и другие источники металлов. Неметаллические материалы включают углеродную сажу, прокаленный нефтяной кокс и другие углеродные материалы. Непроводящие источники включают дисульфид молибдена (MoS₂), тетратиомолибденат аммония ((NH₄)₂MoS₄), комплекс боран-аммиак (BH₃NH₃), красный фосфор и другие соответствующие предшественники. Непроводящие источники могут быть смешаны с проводящими источниками, указанными выше, для достижения удельной проводимости в диапазоне, указанном выше.

[0345] В случае наличия исходных материалов в виде дисульфида молибдена и тетратиомолибдената аммония они могут быть превращены в MoS₂ с различными формами, такими как, говоря конкретно, 1T’-MoS₂ и 2H-MoS₂. В случае наличия исходных материалов в виде комплекса боран-аммиак они могут быть превращены в гексагональный нитрид бора (h-BN). В случае наличия исходных материалов в виде красного фосфора может быть получен черный фосфор.

[0346] Система ДФН, такая как это продемонстрировано на ФИГУРАХ 1А и 2А, может быть использована для изготовления 2D-материалов. Для проводящих предшественников они могут непосредственно введены в кварцевую ампулу 101 для обработки в виде флэш-нагревания. Для непроводящих предшественников они могут быть сначала смешаны с проводящими углеродными материалами или металлом при размалывании их в ступке. После этого они могут быть подвергнуты обработке тем же самым образом, что и проводящие предшественники. Для некоторых специальных предшественников, таких как красный фосфор, вследствие существования поверхностного оксида сначала используют NaOH и дистиллированную воду для промывания данных предшественников и удаления оксида до переработки.

[0347] Образцы предшественников с обеими сторонами, обращенными к уплощенной медной вате 202, сжимали в кварцевых ампулах 101, и через соответствующих предшественников разряжались конденсаторы 210. Это увеличивало температуру до широкого диапазона (от 800 К до 3000 К) в зависимости от установок у устройства для джоулева флэш-нагревания. Разрядку в типичном случае проводят за 10-1000 миллисекунд. Температурный диапазон и время разрядки сделали возможным синтез множества различных видов 2D- или других материалов за короткий период времени. Данный способ может быть повторен 2-5 раз по мере надобности для увеличения качества и количества соответствующих 2D-материалов. Разрядку проводили в низковакуумной камере во избежание воздействия кислорода и других газов в атмосфере формирования.

[0348] В порядке примеров при использовании данного способа ДФН (i) (NH₄)₂MoS₄ превращали в 2H-MoS₂ и 1T’-MoS₂, (ii) коммерческое соединение 2H-MoS₂ превращали в 1T’-MoS₂, и (iii) BH₃NH₃ превращали в h-BN.

[0349] ФИГУРА 25А представляет собой спектры комбинационного рассеяния для флэш-нагревания MoS₂ при использовании различных времен флэш-воздействия, при этом диаграммы 2501-2506 соответствуют реагенту и временам флэш-воздействия 50 мсек, 200 мсек, 250 мсек, 300 мсек и 400 мсек, соответственно. В соответствии с результатами по спектроскопии комбинационного рассеяния пики серии J в виде J₁ (156 см^-1), J₂ (218 см^-1) и J₃ (335 см^-1) являются характеристическими пиками для 1T’-MoS₂, а пик E_2g (380 см^-1) является характеристическим пиком для 2H-MoS₂. [Yu 2018]. ФИГУРА 25В представляет собой выход для флэш-нагревания MoS₂ при различных временах флэш-воздействия. ФИГУРА 25С представляет собой соотношение между интенсивностями пиков J₃ и E_2g при различных временах флэш-воздействия. Как это можно видеть, надлежащее время флэш-воздействия представляет собой жизненно важный компонент при превращении 2H-MoS₂ в 1T’-MoS₂. Для случая использования чрезмерно продолжительного времени импульса MoS₂ все еще сохраняет термодинамически стабильную фазу (2H-MoS₂). И в результате управления временем импульса в диапазоне между 50 миллисекундами и 250 миллисекундами с хорошим выходом могло быть получено хорошее качество метастабильной фазы 1T’-MoS₂.

[0350] 1T’-MoS₂ характеризуется меньшей энергией связи 228,1 эВ (3d_5/2) и 231,1 эВ (3d_3/2) в сопоставлении с 229,6 эВ (3d_5/2) и 232,1 эВ (3d_3/2) для 2H-MoS₂. [Yu 2018]. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 26 (спектры РФС Mo 3d для флэш-нагревания MoS₂ при использовании различного времени флэш-воздействия при соответствии диаграмм Q1901-Q1904 реагенту и временам флэш-воздействия 50 мсек, 300 мсек и 400 мсек, соответственно), при использовании времени флэш-воздействия в диапазоне между 50 миллисекундами и 300 миллисекундами наблюдали смещение к меньшей энергии связи, что означает существование в образце фазы 1T’-MoS₂ и согласуется с результатами по спектрам комбинационного рассеяния.

[0351] Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 27 (РФС для 2H-MoS₂ и 1T’-MoS₂), сопоставление 1T’-MoS₂ с 2H-MoS₂ демонстрирует смещение пика (002) к большим углам в ~ 14°, что является идентичным тому, что продемонстрировано в литературе. [Yu 2018]. Помимо этого, интенсивность для (002) является намного меньшей для образца 1T’-MoS₂ заявителей, что означает получение малослойных продуктов и согласовывалось с полученными при использовании метода ПЭМ изображениями с ФИГУР 28А-28В. Исходя из ФИГУР 28А-28В может быть виден четкий рисунок кромки MoS₂, и в результате проверки данных по профилю интенсивности межслоевой интервал составляет приблизительно 0,62 нм, что является на 3% меньшим, чем у 2H-MoS₂, что согласуется с результатами по РДА, продемонстрированными на ФИГУРЕ 20. И большинство областей образца образовано из малослойного соединения MoS₂. Помимо этого, угол кромки составляет приблизительно 120°, что является очень важным для знаний о компоновке атомов и эксплуатационных характеристиках образцов в некоторых областях применения, таких как катализаторы.

[0352] В способе флэш-нагревания также использовали и нитрид бора. Для увеличения удельной проводимости предшественника добавляли некоторое количество проводящей углеродной сажи. ФИГУРА 29 представляет собой спектры комбинационного рассеяния для флэш-графена (FG) и различных образцов нитрида бора (BN). После способа флэш-воздействия спектры комбинационного рассеяния для образцов BN демонстрировали некоторое коротковолновое смещение в ~ 10 см^-1. Это свидетельствует о наличии комбинации из D-пика для флэш-графена (~ 1350 см^-1) и E_2g-пика для h-BN (~ 1369 см^-1). [Wang 2017].

[0353] ФИГУРЫ 30А-30В представляют собой, соответственно, спектры РФС В 1s и N 1s для образца нитрида бора. ТАБЛИЦА V представляет собой обозрение по местоположениям пиков для B 1s и N 1s.

ТАБЛИЦА V

Пик B N 1 190,9 эВ (B-N) 398,6 эВ (N-B) 2 192,5 эВ (BC=O) 400,3 эВ (N-C)

Расщепление спектров B 1s и N 1s предполагает формирование новых материалов, результаты по комбинационному рассеянию и РДА обосновывают такое формирование нитрида бора в результате флэш-нагревания. [Wang 2017].

[0354] Говоря в порядке обобщения, в настоящем изобретении предлагается малоэнергозатратный синтез «снизу вверх» для легко расслаиваемого графена из сверхмалоценных источников углерода, таких как уголь и нефтяной кокс, возобновляемых источников, таких как биоуголь, и смешанных бросовых продуктов, в том числе пластмассовых бутылок и выброшенных продуктов питания. Это делает возможным массивное связывание углерода при одновременном обеспечении повторного использования углерода для крупносерийных конструкционных композитных материалов, которые усиливают при использовании графена.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[0355] Acerce, M. et al., «Metallic 1T phase MoS₂ nanosheets as supercapacitor electrode materials», Nat. Nanotech., 2015, 10, 313-318 («Acerce 2015»).

[0356] Advincula, P. A. et al., «Accommodating volume change and imparting thermal conductivity by encapsulation of phase change materials in carbon nanoparticles», J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2461-2467 («Advincula 2018»).

[0357] Allen, M. J. et al., «Honeycomb carbon: a review of graphene», Chem. Rev., 2009, 110, 132-145 («Allen 2009»).

[0358] Brenner, D. W et al., «A second-generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for hydrocarbons», J. Phys.: Condens. Matter, 2002, 14, 783 («Brenner 2002»).

[0359] Cai, M., Thorpe et al., «Methods of graphite exfoliation», J. Mater. Chem., 2012, 22, 24992-25002 («Cai 2012»).

[0360] Chang, K. et al., «Targeted Synthesis of 2H- and 1T-Phase MoS₂ Monolayers for Catalytic Hydrogen Evolution», Adv. Mater., 2016, 28, 10033-10041 («Chang 2016»).

[0361] Eda, G., et al., «Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material», Nat. Nano., 2008, 3, 270 («Eda 2008»).

[0362] Ferrari, A. C. et al., «Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene», Nat. Nano., 2013, 8, 235 («Ferrari 2013»).

[0363] Ferrari, A. C., «Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects», Solid State Commun., 2007, 143, 47-57 («Ferrari 2007»).

[0364] Ferrari, A. C. et al., «Raman spectrum of graphene and graphene layers», Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 187401 («Ferrari 2006»).

[0365] Garlow, J. A. et al., «Large-area growth of turbostratic graphene on Ni (111) via physical vapor deposition», Scientific reports, 2016, 6, 19804 («Garlow 2016»).

[0366] Gustavsson, J. et al., «Global food losses and food waste», FAO Rome, 2011 («Gustavsson 2011»).

[0367] Han, X.et al., «Laser-Induced Graphene from Wood Impregnated with Metal Salts and Use in Electrocatalysis», ACS Appl. Nano Mater. 2018, 9, 5053-5061 («Han 2018»).

[0368] Hao, Y. et al., «Probing Layer Number and Stacking Order of Few-Layer Graphene by Raman Spectroscopy», Small, 1990, 6(2), 195-200 («Hao 1990»).

[0369] Harris, P. J. F., «Engineering carbon materials with electricity», Carbon, 2017, 122, 504-513 («Harris 2017»).

[0370] Hernandez, Y. et al., «High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite», Nat. Nano., 2008, 3, 563 («Hernandez 2008»).

[0371] Hosseini, E., et al., «Multifunctional ceramic composites via intercalation of fused graphene-boron nitride nanosheets», ACS App. Mater. Interf., 2019, 11, 8635-8644 («Hosseini 2019»).

[0372] Jambeck, J. R. et al., «Plastic waste inputs from land into the ocean», Science, 2015, 347, 768-771 («Jambeck 2015»).

[0373] Kato, H. et al., «Growth and Raman spectroscopy of thickness-controlled rotationally faulted multilayer graphene», Carbon, 2019, 141, 76-82 («Kato 2019»).

[0374] Kim, K. et al., «Raman spectroscopy study of rotated double-layer graphene: misorientation-angle dependence of electronic structure», Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 246103 («Kim 2012»).

[0375] Kiselov, V. et al., «The growth of weakly coupled graphene sheets from silicon carbide powder», Semiconductor physics quantum electronics & optoelectronics, 2014, 301-307 («Kiselov 2014»).

[0376] Kudin, K. N. et al., «Raman spectra of graphite oxide and functionalized graphene sheets», Nano Lett., 2008, 8, 36-41 («Kudin 2008»).

[0377] Kumar, N. et al., «High-temperature phase transformation and low friction behaviour in highly disordered turbostratic graphite», J. Phys. D: Appl. Phys., 2013, 46, 395305 («Kumar 2013»).

[0378] Li, D. et al., «Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets», Nat. Nano., 2008, 3, 101 («Li 2008»).

[0379] Li, Z. Q. et al., «X-ray diffraction patterns of graphite and turbostratic carbon», Carbon, 2007, 45, 1686-1695 («Li 2007»).

[0380] Lin, J.et al., «Laser-Induced Porous Graphene Films from Commercial Polymers», Nature Comm. 2014, 5:5714 («Lin 2014»).

[0381] Luong, D. X. et al., «Laser-induced graphene fibers», Carbon, 2018, 126, 472-479 («Luong 2018»).

[0382] Malard, L. M. et al., «Raman spectroscopy in graphene», Phys. Rep., 2009, 473, 51-87 («Malard 2009»).

[0383] Moghaddam, H. E. et al., «Morphogenesis of cement hydrate», J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 3798-3811 («Moghaddam 2017»).

[0384] Ni, Z. H. et al. «Probing Charged Impurities in Suspended Graphene Using Raman Spectroscopy», ACS Nano, 2009, 3, 569-574 («Ni 2009»).

[0385] Niilisk, A. et al., «Raman characterization of stacking in multi-layer graphene grown on Ni», Carbon, 2016, 98, 658-665 («Niilisk 2016»).

[0386] Novoselov, K. S. et al., «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature, 2005, 438, 197 («Novoselov 2005»).

[0387] Novoselov, K. S. et al., «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science, 2009, 306, 666-669 («Novoselov 2004»).

[0388] Parfitt, J., et al., «Food waste within food supply chains: quantification and potential for change to 2050», Philos. Trans. R Soc. Lond. B Biol. Sci., 2010, 365, 3065-3081 («Parfitt 2010»).

[0389] Partoens, B. et al., «From graphene to graphite: Electronic structure around the $K$ point», Physical Review B, 2006, 74, 075404 («Partoens 2006»).

[0390] Plimpton, S., «Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics», J. Comput. Phys., 1995, 117, 1-19 («Plimpton 1995»).

[0391] Stankovich, S. et al., «Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide», Carbon, 2007, 45, 1558-1565 («Stankovich 2007»).

[0392] Stuart, S. J., Tutein, A. B., Harrison, J. A. «A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions», J. Chem. Phys., 2000, 112, 6472-6486 («Stuart 2000»).

[0393] Wang, C. et al., «Hexagonal Boron Nitride-Graphene Core-Shell Arrays Formed by Self-Symmetrical Etching Growth», J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13997-14000 («Wang 2017»).

[0394] Yan, Z. et al., «Hexagonal graphene onion rings», J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10755-10762 («Yan 2013»).

[0395] Yan, Z.et al., «Toward the Synthesis of Wafer-Scale Single-Crystal Graphene on Copper Foils», ACS Nano 2012, 6, 9110-9117 («Yan 2012»).

[0396] Yao, Y. et al., «Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles», Science 359, 1489-1494 («Yao 2018»).

[0397] Ye, R. et al., «Laser-Induced Graphene», Acc. Chem. Res. 2018, 51, 1609-1620. («Ye 2018»).

[0398] Yi, M. et al., «A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene», J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 11700-11715 («Yi 2015»).

[0399] Yu, Y. et al., «High phase-purity 1T’-MoS₂- and 1T’-MoSe₂-layered crystals», Nat. Chem., 2018, 10, 638-643 («Yu 2018»).

[0400] Zhang, C., et al. «Single-Atomic Ruthenium Catalytic Sites on Nitrogen-Doped Graphene for Oxygen Reduction Reaction in Acidic Medium», ACS Nano 2017, 11, 6930-6941 («C. Zhang 2017»).

[0401] Zhang, J. et al., «In Situ Synthesis of Efficient Water Oxidation Catalysts in Laser-Induced Graphene», ACS Energy Lett. 2018, 3, 677-683 («J. Zhang 2018»).

[0402] Zhang, J. et al., «Efficient Water Splitting Electrodes Based on Laser-Induced Graphene», ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 26840-26847 («J. Zhang 2017»).

[0403] Патент США №. 9,449,857, «Process for high yield production of graphene via detonation of carbon-containing material», выданный 13 сентября 2016 года авторам Sorensen et al. («Патент Sorensen ’857»).

[0404] Публикация патентной заявки США № 20170062821, опубликованная 2 марта 2017 года авторами Tour et al. («Патентная заявка Tour ’821»).

[0405] Несмотря на демонстрацию и описание вариантов осуществления изобретения специалистами в соответствующей области техники могут быть реализованы и его модификации без отклонения от духа и буквы изобретения. Описанные варианты осуществления и представленные примеры в настоящем документе являются только иллюстративными и не предполагаются в качестве ограничения. Возможным является множество вариаций и модификаций изобретения, раскрытого в настоящем документе, которые попадают в пределы объема изобретения. На объем правовой охраны не накладывают ограничений описанием изобретения, представленным выше, а накладывают ограничения только формулой изобретения, которая следует далее, и объем которой включает все эквиваленты сущности предмета формулы изобретения.

[0406] Раскрытия изобретений во всех патентах, патентных заявках и публикациях, процитированных в настоящем документе, во всей своей полноте посредством ссылки на них включаются в настоящий документ в той степени, в которой они представляют иллюстративные, методические или другие подробности, дополнительные к тем, которые представлены в настоящем документе.

[0407] Количества и другие численные данные могут быть представлены в настоящем документе в формате диапазона. Как это должно быть понятно, такой формат диапазона используется просто для удобства и краткости и должен гибко интерпретироваться как включающий не только численные значения, недвусмысленно приведенные в качестве границ диапазона, но также и как включающий все индивидуальные численные значения или поддиапазоны, охватываемые пределами данного диапазона, как если бы каждые численные значение и поддиапазон были бы недвусмысленно приведены. Например, численный диапазон от приблизительно 1 до приблизительно 4,5 должен интерпретироваться как включающий не только недвусмысленно приведенные границы от 1 до приблизительно 4,5, но также и как включающий отдельные численные величины, такие как 2, 3, 4, и поддиапазоны, такие как от 1 до 3, от 2 до 4, и так далее. Тот же самый принцип относится и к диапазонам, приводящим только одно численное значение, таким как «менее, чем приблизительно 4,5», которые должны интерпретироваться как включающие все приведенные выше значения и диапазоны. Кроме того, такое интерпретирование должно применяться вне зависимости от ширины описываемых диапазона или характеристики. Символ «~» представляет собой то же самое, что и «приблизительно».

[0408] Если только не будет определено другого, то все научные и технические термины, использованные в настоящем документе, будут иметь то же самое значение, что и значение, общепризнанно понимаемое специалистами в соответствующей области техники, к которой принадлежит сущность предмета, раскрываемая в настоящий момент. Несмотря на возможность использования любых способов, устройств и материалов, подобных или эквивалентных тому, что описывается в настоящем документе, при практическом осуществлении или испытании сущности предмета, раскрываемой в настоящий момент, теперь описываются репрезентативные способы, устройства и материалы.

[0409] В соответствии с давно сложившейся традицией в патентном законе термины «один» и «некий» имеют значение «один или несколько» при использовании в данной заявке, в том числе в формуле изобретения.

[0410] Если только не будет указываться на другое, то все числа, выражающие количества ингредиентов, условия проведения реакции и тому подобное, что используется в описании изобретения и формуле изобретения, должны пониматься как во всех случаях модифицированные термином «приблизительно». В соответствии с этим, если только не будет указываться на обратное, численные параметры, представленные в данном описании изобретения и прилагающейся формуле изобретения, представляют собой приближения, которые могут варьироваться в зависимости от желательных свойств, достижения которых пытаются добиться при использовании сущности предмета, раскрываемой в настоящий момент.

[0411] В соответствии с использованием в настоящем документе, термины «приблизительно» и «по существу» при обращении к значению или к величине массы, веса, времени, объема, концентрации или уровня процентного содержания означают охватывание вариаций в некоторых вариантах осуществления ±20%, в некоторых вариантах осуществления ±10%, в некоторых вариантах осуществления ±5%, в некоторых вариантах осуществления ±1%, в некоторых вариантах осуществления ±0,5%, а в некоторых вариантах осуществления ±0,1%, от указанного значения, поскольку такие вариации являются надлежащими для осуществления раскрытого способа.

[0412] В соответствии с использованием в настоящем документе термины «по существу перпендикулярный» и «по существу параллельный» означают охватывание вариаций в некоторых вариантах осуществления в пределах ±10° от перпендикулярного и параллельного направлений, соответственно, в некоторых вариантах осуществления в пределах ±5° от перпендикулярного и параллельного направлений, соответственно, в некоторых вариантах осуществления в пределах ±1° от перпендикулярного и параллельного направлений, соответственно, а в некоторых вариантах осуществления в пределах ±0,5° от перпендикулярного и параллельного направлений, соответственно.

[0413] В соответствии с использованием в настоящем документе термин «и/или» при использовании в контексте перечисления сущностных структур относится к сущностным структурам, присутствующим индивидуально или в комбинации. Таким образом, например, фраза «А, В, С и/или D» включает А, В, С и D индивидуально, но также и включает все без исключения комбинации и подкомбинации из А, В, С и D.

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к синтезу графена в результате джоулевого флэш-нагревания (ДФН), и может быть использовано для синтеза композитных и 2D-материалов. К проводящему источнику углерода с удельной проводимостью более 10^-5 См/см, содержащему материал источника углерода, не являющийся графеном, прикладывают импульс напряжения, в результате чего проводящий источник углерода нагревается током, а материал источника углерода преобразуется в графен. Проводящий источник углерода может включать менее 50% графена. Удельная проводимость материала источника углерода менее 10^-5 См/см. Проводящий источник углерода может дополнительно включать проводящую добавку, выбранную из антрацитового угля, прокалённого нефтяного кокса, углеродных нанотрубок, графеновых квантовых точек, ацетиленовой или углеродной сажи, шунгита, графена или их смесей. Материал источника углерода выбран из экскрементов, пластмасс, винильных или конденсационных полимеров, полимеров, растущих по ступенчатому или по цепному механизму роста, живых полимеров, резин, гуминовой кислоты, углеводов, рисовой пудры, пищевых отходов, продуктов питания, угля, органического материала, кокса, нефтяного кокса, нефти, нефтепродуктов, углерода от обдирки неуглеродных атомов у природного газа или нефти или диоксида углерода, древесины, целлюлозы, листьев, ветвей, травы, биомассы, останков животных или рыбы, белков и их смесей. Синтезированный графен является турбостратным графеном. Перемещение проводящего источника углерода и синтезированного графена можно осуществлять непрерывно, синхронизируя для приложения импульса напряжения к проводящему источнику углерода. Для формирования композитного материала, содержащего 0,001-10 мас. % турбостратного графена, его объединяют со вторым материалом, выбранным из бетона, цемента, пластмасс, красок, покрытий, пеноматериала, пенополиуретана, напольного покрытия, кровельного покрытия, древесины, фанеры, металлов, асфальта, оксидов металлов, углерод-углеродных композитов, волокон, плёнок и их комбинаций. Основная часть крупносерийного графенового материала, полученного указанным способом и имеющего массу не менее 1 г, представляет собой турбостратный графен. Изобретение позволяет получить малодефектный турбостратный графен в крупносерийных количествах. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 табл., 30 ил.

1. Способ синтеза графена, включающий:

(a) приложение импульса напряжения к проводящему источнику углерода, который содержит материал источника углерода, который не представляет собой графен, при этом ток проводится через проводящий источник углерода посредством приложения импульса напряжения; и

(b) нагревание проводящего источника углерода током, при этом

(i) нагрев через материал источника углерода преобразует материал источника углерода в графен, и

(ii) удельная проводимость проводящего источника углерода более чем 10^-5 См/см.

2. Способ по п. 1, где

проводящий источник углерода включает менее чем 50% графена.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, где удельная проводимость материала источника углерода менее чем 10^-5 См/см, и проводящий источник углерода дополнительно включает проводящую добавку к источнику углерода, которая придает проводящему источнику углерода удельную проводимость более чем 10^-5 См/см.

4. Способ по п. 3, где проводящую добавку для источника углерода выбирают из группы, состоящей из антрацитового угля, прокаленного нефтяного кокса, углеродных нанотрубок, графеновых квантовых точек, ацетиленовой сажи, углеродной сажи, шунгита, графена или их смесей.

5. Способ по п. 3, где материал источника углерода выбран из группы, состоящей из экскрементов, пластмасс, винильных полимеров, конденсационных полимеров, полимеров, растущих по ступенчатому механизму роста, полимеров, растущих по цепному механизму роста, живых полимеров, резин, гуминовой кислоты, углеводов, рисовой пудры, пищевых отходов, продуктов питания, угля, органического материала, кокса, нефтяного кокса, нефти, нефтепродуктов, углерода от обдирки неуглеродных атомов у природного газа или нефти или диоксида углерода, древесины, целлюлозы, листьев, ветвей, травы, биомассы, останков животных, останков рыбы, белков и их смесей.

6. Способ по любому из пп. 1-5, где

синтезированный графен является турбостратным графеном, и/или

турбостратный графен является графеном, включающим разориентированные графеновые слои.

7. Способ по любому из пп. 1-6, где способ является непрерывным способом перемещения проводящего источника углерода и синтезированного графена, где перемещение проводящего источника углерода и синтезированного графена синхронизируют для приложения импульса напряжения к проводящему источнику углерода.

8. Способ по любому из пп. 1-7, дополнительно включающий объединение турбостратного графена и второго материала, который не является синтезированным турбостратным графеном, для формирования композитного материала, при этом второй материал выбирают из группы, состоящей из бетона, цемента, пластмасс, красок, покрытий, пеноматериала, пенополиуретана, напольного покрытия, кровельного покрытия, древесины, фанеры, металлов, асфальта, оксидов металлов, углерод-углеродных композитов, волокон, пленок и их комбинаций.

9. Способ по п. 8, где композитный материал включает от 0,001% масс. до 10% масс. турбостратного графена.

10. Крупносерийный графеновый материал, полученный способом по любому из пп. 1-7, где

(a) основная часть крупносерийного графенового материала представляет собой турбостратный графен; и

(b) крупносерийный графеновый материал имеет массу, составляющую, по меньшей мере, 1 грамм.

11. Крупносерийный графеновый материал по п. 10, где, по меньшей мере, 90% масс. графена представляет собой турбостратный графен.

12. Крупносерийный графеновый материал по п. 11, где

материал источника углерода, из которого получают крупносерийный графеновый материал способом по любому из пп. 1-7, преимущественно включает источник углерода в твердом состоянии.

13. Крупносерийный графеновый материал по любому из пп. 11, 12, где материал источника углерода, из которого получают крупносерийный графеновый материал способом по любому из пп. 1-7, преимущественно включает источник углерода в жидком состоянии.