一种黑磷烯气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种黑磷烯气凝胶及其制备方法和应用。所述气凝胶是一种三维网络结构的无机气凝胶，其通过超声分散于有机溶剂中的二维黑磷纳米片，并经冷冻干燥制备而得。与现有制备气凝胶方法不同，本发明专利技术无需使用化学交联剂，仅利用二维黑磷纳米片层间的自交联组装即可形成气凝胶；该制备过程步骤简单、操作方便，短时高效，且对环境和材料表面无污染，该黑磷烯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特性，制备的黑磷烯气凝胶最大程度地发挥了黑磷烯和气凝胶的优异特性，在吸附和储能材料领域具有很高的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种黑磷烯气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及气凝胶材料领域，具体涉及一种黑磷烯气凝胶及其制备方法
技术介绍
作为一种新型的多孔结构材料，气凝胶具有较小的密度、丰富的孔道结构及较高的比表面积等优异特性，因此其在化学化工、生物医药、航空航天、军事交通等领域得到了广泛的应用。自发现二氧化硅气凝胶以来，各种新型材料气凝胶也相继出现，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。相比于其它的二维材料，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。但目前大多数黑磷烯的研究以黑磷烯纳米片或黑磷烯量子点为主，这在某种程度上限制了其进一步的发展与应用。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、含氮离子液体的溶液、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，使用的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。因此，若能采用简单易行的制备方法，利用纯的黑磷烯自组装形成三维网络结构的气凝胶，且该黑磷烯气凝胶集合黑磷烯和气凝胶的优点，显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有较低的密度、较高的孔隙率和比表面积以及优良的光热转换性能的黑磷烯气凝胶。本专利技术的另一目的是提供该黑磷烯气凝胶的制备方法，及其作为吸附材料在环保领域和作为储能材料在能源领域中的应用。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种黑磷烯气凝胶，所述气凝胶具有由二维黑磷组成的三维网络结构，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率为5～25％，密度为0.2～20mg/cm3，孔隙率为75～95％，比表面积为100～2000m2/g。优选的，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率为8～20％，密度为2～15mg/cm3，孔隙率为80～95％，比表面积为300～1500m2/g。优选的，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率为10～18％，密度为5～12mg/cm3，孔隙率为80～85％，比表面积为500～1000m2/g。更具体的，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率可以为10％、18％、20％和25％等，密度可以为0.2mg/cm3、0.5mg/cm3、1mg/cm3、1.5mg/cm3等，孔隙率可以为80％、88％、92％和95％等，比表面积为800m2/g、1200m2/g、1800m2/g和2000m2/g等。本专利技术还提供了黑磷烯气凝胶的制备方法，该黑磷烯气凝胶由超声分散于有机溶剂中的二维黑磷纳米片经冷冻干燥制备而得，是一种具有三维网络结构的无机气凝胶。所述制备方法具体包括以下步骤：1)将二维黑磷纳米片分散于有机溶剂中，得到二维黑磷分散体，随后在室温下静置；2)将静置后的二维黑磷分散体冷冻干燥，即得黑磷烯气凝胶。优选的，步骤1)中，采用超声分散的方式将二维黑磷纳米片分散于有机溶剂中；静置的时间为10～120min。优选的，有机溶剂选自环己烷。优选的，二维黑磷纳米片的平均厚度为1nm～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1nm～10nm，平均尺寸为5～40μm，更进一步的，二维黑磷纳米片的平均厚度为5nm～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，二维黑磷分散体的浓度为0.01～20mg/mL，进一步的，二维黑磷分散体的浓度为0.5～15mg/mL，更进一步的，二维黑磷分散体的浓度为1～10mg/mL。优选的，步骤1)中，超声分散的时间为5～30min，功率为100～1800W。进一步的，超声分散的时间为10～20min，功率为500～1500W，更进一步的，超声分散的时间为15～20min，功率为1000～1500W。优选的，步骤2)中，冷冻干燥的条件控制为：冷冻温度为0～-80℃，，干燥温度为-20～-80℃，干燥真空度为0.01～1mbar，干燥时间为20min～24h。进一步的，冷冻温度为-20～-80℃，干燥温度为-30～-80℃，干燥真空度为0.5～1mbar，干燥时间为1h～18h；更进一步的，冷冻温度为-30～-80℃，干燥温度为-50～-80℃，干燥真空度为0.5～0.8mbar，干燥时间为5h～10h。本领域技术人员可以根据冷冻的需要调节冷冻的时间，例如，冷冻时间可以选择为1～5h，具体的，冷冻时间为2～5h或冷冻时间为3～5h。该制备方法简单易操作、绿色环保，无需使用化学交联剂，利用大尺寸黑磷纳米片的自粘合效应，增强了黑磷烯片层之间的范德华力和π-π堆叠作用，从而保证了冷冻干燥过程中凝胶三维结构的完整性。同时，环己烷具有较高的凝固点，可以降低冷冻干燥过程对体系的破坏程度。最终，采用本方法制备形成的黑磷烯气凝胶具有优异的性能。具体而言，该黑磷烯气凝胶密度小、结构蓬松且体积较大。此外，该黑磷烯气凝胶具有优异的光热特性，例如，其可以将光能转换成热能，或者在光照条件下自行驱动，其光热转换效率为2～25％。该黑磷烯气凝胶还具有较高的比表面积和稳定的三维结构，其兼具了黑磷烯优异的物理化学性能和气凝胶超轻多孔的特性。本专利技术还提供了黑磷烯气凝胶的一种应用，可以将黑磷烯气凝胶作为吸附材料应用在环保等各领域中，例如作为染料吸附材料、重金属离子吸附材料、气体吸附材料等。由于黑磷烯气凝胶的孔隙率大、比表面积大，其具有优异的吸附性能，因此还可以将黑磷烯气凝作为吸附材料应用于各领域中。本专利技术还提供了黑磷烯气凝胶的另一种应用，利用黑磷烯优异的光热特性，可以将该气凝胶作为储能材料，例如作为超级电容器的电极材料、锂离子电池的负极材料等。本专利技术的有效效果是：1、本专利技术制备的黑磷烯气凝胶是基于黑磷烯片层之间的自交联组装形成的，具有较高的比表面积和稳定的三维网络结构，其结合了黑磷烯优异的物理化学性能和气凝胶超轻多孔的特性。2、本专利技术提供了一种黑磷烯气凝胶的制备方法，该方法利用大尺寸黑磷纳米片的自交联特性，将二维的黑磷纳米片组装成三维的黑磷烯凝胶块体材料，再冷冻干燥使其转变成气凝胶。与现有技术相比，本专利技术的技术方案新颖简单、绿色环保，其突破了现有制备气凝胶时需使用交联剂的限制，利用黑磷纳米片自身的特性，实现了无化学交联剂下气凝胶的制备，快速高效地完成黑磷烯气凝胶的制备。3、形成的黑磷烯气凝胶具有优异的吸附性能和光热特性，可以作为吸附材料或储能材料，例如，作为染料吸附材料、重金属离子吸附材料、气体吸附材料、超级电容器的电极材料、锂离子电池的负极材料等，在环保和能源等领域中具有重要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种黑磷烯气凝胶，其特征在于，所述气凝胶具有由二维黑磷组成的三维网络结构，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率为5～25％，密度为0.2～20mg/cm

【技术特征摘要】
1.一种黑磷烯气凝胶，其特征在于，所述气凝胶具有由二维黑磷组成的三维网络结构，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率为5～25％，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所述的黑磷烯气凝胶，其特征在于，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率为8～20％，密度为2～15mg/cm3，孔隙率为80～95％，比表面积为300～1500m2/g。3.根据权利要求2所述的黑磷烯气凝胶，其特征在于，所述黑磷烯气凝胶的光热转换效率为10～18％，密度为5～12mg/cm3，孔隙率为80～85％，比表面积为500～1000m2/g。4.权利要求1-3中任一项所述的黑磷烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将二维黑磷纳米片分散于有机溶剂中，得到二维黑磷分散体，随后在室温下静置；2)将静置后的二维黑磷分散体冷冻干燥，即得黑磷烯气凝胶。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻学锋，黄浩，高明，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