一种带隙可调的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带隙可调的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的制备方法，该方法以磷酸盐、羧酸盐和碳酸盐为原料。包括以下步骤(1)将磷酸盐，羧酸盐和碳酸盐化合物的其中两种按摩尔比为0.01:20～40:20或者三种按摩尔比为0.01:0.01:20～40:40:20混合研磨均匀；(2)将步骤(1)中得到的混合物在氩气气氛下于煅烧；(3)将步骤(2)中所得的产物用稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。本发明专利技术的突出优点是：原料廉价易得，绿色环保，合成步骤简便易行，制得的产品具有可调的光学性质，具有催化光解水产氢活性且具有较好的稳定性，在光电子器件以及能源方面具有潜在的应用。

Preparation of single layer phosphorus doped graphene nanosheets with tunable bandgap

The invention discloses a preparation method of monolayer phosphorus-doped graphene nanosheet with adjustable band gap, which takes phosphate, carboxylate and carbonate as raw materials. It includes the following steps: (1) grinding the mixture of phosphate, carboxylate and carbonate compounds in the ratio of 0.01:20 to 40:20 or the ratio of three massagers in the range of 0.01:0.01:20 to 40:40:20 evenly; (2) calcining the mixture obtained in step (1) in argon atmosphere; (3) steaming the product obtained in step (2) with dilute hydrochloric acid; The distillate and ethanol were washed several times to remove the excess salt, and then the product was vacuum dried at 80 C for 10 h to obtain single-layer phosphorus-doped graphene nanosheets. The prominent advantages of the invention are that the raw material is cheap and easy to obtain, the green environmental protection, the synthesis step is simple and feasible, the product has adjustable optical properties, catalytic activity for hydrogen production from photolysis water and has good stability, and has potential applications in optoelectronic devices and energy sources.

【技术实现步骤摘要】
一种带隙可调的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的制备方法
本专利技术属于二维功能材料杂原子掺杂的石墨烯的合成
，具体涉及一种单层磷掺杂的石墨烯纳米片的制备方法，通过磷的掺杂量对材料的带隙进行可控的调节。
技术介绍
光学器件的应用是研究人员的热门话题，调节材料的带隙对器件性能起着至关重要的作用。优良的器件应具有高效率，高稳定性，低成本低，易于合成。石墨烯是一种非常特殊的由碳原子构成的二维纳米片材料，具有蜂窝结构和一些独特的性能如它的光学、热学、电学和机械性能都很优异，这些使其成为光电器件的优良的候选材料。另外，石墨烯具有高导热率(约5000Wm-1K-1)，优异的载流子迁移率(200000cm2V-1s-1)和极高的比表面积(约2600m2g-1)，因此它非常适合应用于器件中。然而，石墨烯是零带隙半金属，这对于它应用于器件是不利的。缺乏合适的带隙是限制石墨烯材料在器件中使用的主要障碍，因此基于石墨烯的光电器件的发展取决于是否能够实现石墨烯带隙的可控调节。目前，许多方法可用于调节石墨烯的带隙，例如电场效应，水分子吸附，化学官能化，在衬底上沉积石墨烯，金属电极与石墨烯接触和掺杂杂原子。然而，利用电场效应和基底沉积石墨烯的方法来调节石墨烯的带隙是很复杂的，另外水分子的吸附和化学官能化方法条件苛刻，与石墨烯接触的方法中的金属电极(如Co，Ni，Pd，Al，Cu，Ag，Pt和Au)对环境有害。相比较而言，用掺杂杂原子法调控石墨烯带隙简便易行，条件可控。基于以上因素，用石墨烯掺杂杂原子来调控带隙引起了人们极大的关注，因此寻求绿色和有效的杂原子掺杂的石墨烯来改善器件的性能是非常必要的。杂原子(如N，P，S或B)具有缺电子或富电子性质，它们可以通过打开带隙来改变石墨烯材料的光电性质。在各种材料中，磷是地球上最丰富的元素之一，存在三种形式：红色，白色和黑色的同素异形体。特别是，黑磷的可调带隙范围为0.3eV到2.0eV。磷掺杂石墨烯可以通过调节石墨烯中磷的含量使其具有合适的带隙，因此来制造高性能器件，从而改善其性能。与其他材料相比，磷掺杂石墨烯半导体具有带隙可调，电荷载流子迁移率高，比表面积高，热导率高等优点，可以提高其效率和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决单层石墨烯带隙不易调节的技术问题，提供了一种简单的制备出带隙可调的单层磷掺杂石墨烯纳米片的一步合成方法。该制备方法采用一种新的原料配比，制备方法简便易行，且产物具有可调的光学性质，具有催化光解水产氢活性。本专利技术的目的可以通过以下方案实现：一种带隙可调的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的制备方法，包括如下步骤:(1)将磷酸盐化合物、羧酸盐化合物和碳酸盐化合物的其中两种按摩尔比为0.01:20～40:20或者三种按摩尔比为0.01:0.01:20～40:40:20混合研磨均匀；(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉瓷舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于500～3000℃煅烧5～600min，升温速率为0.1～10℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温；(3)将步骤(2)中所得的产物用0.1～2mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。以上所述的磷酸盐化合物为磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，磷酸钠，次磷酸钠，偏磷酸钠，焦磷酸钠，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，磷酸钾，磷酸氢钙，磷酸钙，焦磷酸钙，磷酸氢二铵，磷酸二氢铵，磷酸铵中的一种；羧酸盐化合物为葡萄糖酸钠、葡萄糖酸钾、葡萄糖酸钙、柠檬酸钠、柠檬酸钾、柠檬酸钙、柠檬酸铵、油酸钠、油酸钾中的一种；碳酸盐化合物为碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁、碳酸锌、碳酸铵、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢铵中的一种。本专利技术的突出优点是：原料廉价易得，绿色环保，合成步骤简便易行，制得的产品具有可调的光学性质，具有催化光解水产氢活性且具有较好的稳定性。附图说明图1为实施例4所制备的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的场发射扫描电镜与元素分布图。图2为实施例4所制备的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的透射电镜和原子力显微镜图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术并不仅局限于以下实施例。实施例1(1)将0.1640g磷酸钠和21.1980g碳酸钠混合研磨均匀。(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉磁舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于500℃煅烧5min，升温速率为0.1℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温。(3)将步骤(2)中所得的产物用0.1mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。实施例2(1)将2.1227g磷酸钾和27.6420g碳酸钾混合研磨均匀。(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉磁舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于3000℃煅烧600min，升温速率为10℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温。(3)将步骤(2)中所得的产物用2mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。实施例3(1)将10.1565g磷酸铵和16.8020g碳酸氢钠混合研磨均匀。(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉磁舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于800℃煅烧50min，升温速率为0.5℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温。(3)将步骤(2)中所得的产物用0.5mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。实施例4(1)将16.3940g磷酸钠和43.6280g葡萄糖酸钠混合研磨均匀。(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉磁舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于1300℃煅烧100min，升温速率为1℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温。(3)将步骤(2)中所得的产物用1mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。图1为本实施例所制备的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的场发射扫描电镜与元素分布图，从图中可以该产物具有很薄的片层结构，并且样品含有碳和磷元素，这两种元素均匀得分布于片层结构中；图2为本实施例所制备的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的透射电镜和原子力显微镜图，从图中可看出该片层接近透明，原子力显微镜图表明该样品的纳米片厚度为0.58nm，说明成功制备了单层磷掺杂的石墨烯纳米片。实施例5(1)将2.1227g磷酸钾和64.8820g柠檬酸钾混合研磨均匀。(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉磁舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于1600℃煅烧200min，升温速率为2℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温。(3)将步骤(2)中所得的产物用1.5mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。实施例6(1)将10.1565g磷酸铵和60.8880g油酸钠混合研磨均匀。(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉磁舟中并放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带隙可调的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于：(1)将磷酸盐化合物，羧酸盐化合物和碳酸盐化合物的其中两种按摩尔比为0.01:20～40:20或者三种按摩尔比为0.01:0.01:20～40:40:20混合研磨均匀；(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉瓷舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于500～3000℃煅烧5～600min，升温速率为0.1～10℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温；(3)将步骤(2)中所得的产物用0.1～2mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种带隙可调的单层磷掺杂的石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于：(1)将磷酸盐化合物，羧酸盐化合物和碳酸盐化合物的其中两种按摩尔比为0.01:20～40:20或者三种按摩尔比为0.01:0.01:20～40:40:20混合研磨均匀；(2)将步骤(1)中得到的混合物加入刚玉瓷舟中并放入管式炉中，混合物在氩气气氛下于500～3000℃煅烧5～600min，升温速率为0.1～10℃/min，煅烧完毕后，在氩气气氛下自然冷却至室温；(3)将步骤(2)中所得的产物用0.1～2mol/L稀盐酸、蒸馏水和乙醇洗涤数次，以除去多余的盐，然后，将产物在80℃下真空干燥10h得到单层磷掺杂的石墨烯纳米片。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的磷酸盐化合物为磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，磷酸钠，次磷酸钠...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹传宝，吴玉军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11