一种碳材料-黑磷烯复合气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳材料‑黑磷烯复合气凝胶及其制备方法和应用，所述复合气凝胶是由二维黑磷纳米片网络与碳材料网络相互缠绕而构成。与现有制备气凝胶方法不同，本发明专利技术方法无需使用化学交联剂，且制备过程步骤简单、操作方便，短时高效，并对环境和材料表面无污染；本发明专利技术制备的碳材料‑黑磷烯复合气凝胶具有较低的密度、较高的孔隙率和比表面积以及较好的光热转换效果，其结合了黑磷烯优异的物理化学性能、碳材料的功能特点以及气凝胶超轻多孔的特性，为进一步拓展黑磷烯的产品系列和应用奠定了坚实基础。

【技术实现步骤摘要】
一种碳材料-黑磷烯复合气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及气凝胶材料领域，特别涉及一种碳材料-黑磷烯复合气凝胶及其制备方法
技术介绍
气凝胶是一种新型的多孔结构材料，其具有较小的密度、丰富的孔道结构及较高的比表面积等优异特性，被广泛应用于化学化工、生物医药、航空航天、军事交通等领域。自二氧化硅气凝胶被发现以来，各种新型材料气凝胶不断出现，例如三氧化二铝气凝胶、碳化钛气凝胶以及石墨烯气凝胶等。近年来，一种新型的直接带隙二维半导体材料—黑磷烯，成为人们研究的热点。相比于其他的二维材料，黑磷烯具有很多独特的优势。例如，黑磷烯的带隙(0.3～2.0eV)可以在很大范围内通过层数调节，实现从近红外到可见光不同波段的光吸收；黑磷烯的载流子迁移率可以达到103cm2/(V·s)，还具有高达105的开关比。这些优异的材料特性使黑磷烯在光学器件、光热治疗等领域显示出极大的潜在应用。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，其是由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管。碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可以分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管具有良好的强度、弹性、抗疲劳性、导电性能、热传导性能等。石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。石墨烯具有优异的力学性能、电子效应、热性能和光学性能，因此广泛应用于移动设备、航空航天、新能源电池、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域。近期，中国专利文献CN106744853A公开了一种石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶及其制备方法，是将含有黑磷纳米片和含氮离子液体的溶液与氧化石墨烯水溶液、以及还原剂混合，在无氧条件下加热反应形成湿凝胶，然后再除去还原剂，经冷冻干燥后形成气凝胶。但该制备方法过程比较复杂，水溶液有可能会氧化或破坏黑磷纳米片，且残留的还原剂会对复合气凝胶的性能具有一定的影响。此外，中国专利文献CN105129789A还公开了一种黑磷烯-石墨烯复合材料空心微球的制备方法，该方法首先将黑磷烯纳米片或者黑磷烯量子点分散液加入到氧化石墨烯纳米片分散液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯和氧化石墨烯两者混合；然后通过喷雾法将黑磷烯和氧化石墨烯混合分散液喷入到液氦中迅速冷冻为微球，接着将所得到的黑磷烯和氧化石墨烯复合材料冷冻微球置于冷冻干燥机中冷冻干燥，得到黑磷烯和氧化石墨烯复合材料空心微球；最后在氮气或氩气保护下将氧化石墨烯高温还原为石墨烯，最终得到黑磷烯和石墨烯复合材料空心微球。该制备空心微球的方法与本申请制备碳材料-黑磷烯复合气凝胶方法相比，其制备的客体不同，因此制备空心微球时需要通过喷雾法将黑磷烯和氧化石墨烯混合分散液喷入到液氦中迅速冷冻为微球，再冷冻干燥；此外，该制备空心微球的方法也比较复杂，需要先采用黑磷烯和氧化石墨烯先合成黑磷烯和氧化石墨烯复合空心微球，再进一步还原成黑磷烯和石墨烯复合材料空心微球；该制备空心微球的方法耗时比较长，例如，仅冷冻干燥时间就已经长达6-48小时。目前，大多数黑磷烯的研究多以黑磷烯纳米片或黑磷量子点为主，这在某种程度上限制了黑磷烯材料的进一步发展。而碳材料也具有优异的电学性能、化学和生物传感等性能，若能将黑磷烯和碳材料相结合，采用简单易行的方法形成具有三维结构的气凝胶，则可以拓宽黑磷烯在吸附、催化、分离、储能、传感等
中的应用。因此，开发出基于黑磷烯的气凝胶，尤其是基于由黑磷烯和碳材料构成的复合气凝胶，显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种密度小、孔隙率和比表面积大、具有优异的电学性能、化学性能和生物传感等优异性能的碳材料-黑磷烯复合气凝胶。本专利技术的另一个目的是提供该碳材料-黑磷烯复合气凝胶的制备方法及其在吸附、催化、分离、储能和传感等
中的应用。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种碳材料-黑磷烯复合气凝胶，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶是由二维黑磷纳米片网络和碳材料网络相互缠绕所构成，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶的光热转换效率为5～20％，密度为0.2～20mg/cm3，孔隙率为75～95％，比表面积为100～2000m2/g。优选的，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶的光热转换效率为8～18％，密度为3～12mg/cm3，孔隙率为85％～95％，比表面积为600～1800m2/g。优选的，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶的光热转换效率为10～18％，密度为5～10mg/cm3，孔隙率为90～95％，比表面积为1200～1500m2/g。更具体的，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶的光热转换效率可以为10％、15％、18％和20％等，密度可以为0.2mg/cm3、0.5mg/cm3、1mg/cm3、5mg/cm3等，孔隙率可以为85％、88％、90％、95％等，比表面积为500m2/g、1200m2/g1500m2/g和2000m2/g等。所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶由分散于醇溶剂中的二维黑磷纳米片与碳材料，依次经过离心、超声分散至环己烷，再经过冷冻干燥制备而成。该碳材料-黑磷烯复合气凝胶结合了黑磷烯优异的物理化学性能、碳材料的优异电学性能、化学性能和生物传感等功能特点以及气凝胶超轻多孔的特性，可以广泛应用于吸附、催化、分离、储能和传感等
本专利技术还提供了碳材料-黑磷烯复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：1)依次将二维黑磷纳米片与碳材料添加到醇溶剂中，得到混合溶液；2)将混合溶液离心，取沉淀部分超声分散至有机溶剂中，得到碳材料-黑磷烯分散体，再在室温下静置10～120min；3)将静置后的碳材料-黑磷烯分散体冷冻干燥，得到碳材料-黑磷烯复合气凝胶。优选的，静置的时间为30～90min，进一步的，静置的时间为30～60min，更进一步的，静置的时间为30～50min。优选的，所述二维黑磷纳米片的平均厚度为1～20nm，平均尺寸为0.5～50μm。进一步的，二维黑磷纳米片的平均厚度为1～10nm，平均尺寸为2～40μm；更进一步的，二维黑磷纳米片的平均厚度为5～10nm，平均尺寸为10～30μm。选用该厚度和尺寸下的二维黑磷纳米片，可以增强黑磷纳米片之间的相互作用，有利于形成性能优异的黑磷烯气凝胶。此外，申请人在实验中发现，由于相互作用较弱，黑磷量子点并不能自组装形成气凝胶，因此采用具有一定厚度和尺寸的二维黑磷纳米片制备成纯的黑磷烯气凝胶。优选的，步骤1)中，二维黑磷纳米片与碳材料的质量比为1:0.1-2。进一步的，二维黑磷纳米片与碳材料的质量比为1:0.5-1.8，更进一步的，二维黑磷纳米片与碳材料的质量比为1:1-1.5。优选的，所述的碳材料选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或几种。优选的，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的平均直径为1～15nm，长度为1～30μm，进一步的，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的平均直径为2～12nm，长度为3～25μm，更进一步的，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的平均直径为5～10nm，长度为5～20μm。优选的，石墨烯和氧化石墨烯的平均尺寸为1～20μm，厚度约为1～15nm，进一步的，石墨烯和氧化石墨烯的平均尺寸为2～10μm，厚度约为5～10nm.优选的，离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳材料‑黑磷烯复合气凝胶，其特征在于，所述碳材料‑黑磷烯复合气凝胶是由二维黑磷纳米片网络和碳材料网络相互缠绕所构成，所述碳材料‑黑磷烯复合气凝胶的光热转换效率为5～20％，密度为0.2～20mg/cm

【技术特征摘要】
1.一种碳材料-黑磷烯复合气凝胶，其特征在于，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶是由二维黑磷纳米片网络和碳材料网络相互缠绕所构成，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶的光热转换效率为5～20％，密度为0.2～20mg/cm3，孔隙率为75～95％，比表面积为100～2000m2/g。2.根据权利要求1所述的碳材料-黑磷烯复合气凝胶，其特征在于，所述碳材料-黑磷烯复合气凝胶的光热转换效率为8～18％，密度为3～12mg/cm3，孔隙率为85～95％，比表面积为600～1800m2/g。3.根据权利要求1所述的碳材料-黑磷烯复合气凝胶，其特征在于，所述碳材料选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或几种。4.根据权利要求1-3中任一项所述的碳材料-黑磷烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)依次将二维黑磷纳米片与碳材料添加到醇溶剂中，得到混合溶液；2)将混合溶液离心，取沉淀部分超声分散至有机溶剂中，得到碳材料-黑磷烯分散体，随后在室温下静置10～120min；3)将静置后的碳材料-黑磷...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻学锋，高明，黄浩，刘丹妮，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44