一种FePS3量子点的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种FePS3量子点及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：1)将块体的FePS3分散于溶液中，于60～100℃进行2～12h的化学剥离，得到的悬浮液；2)将所述悬浮液在40～100W功率下超声2～12h，然后离心去除大颗粒，得到的上清液即为含有FePS3量子点的溶液。本发明专利技术所述的制备方法步骤简单，成本低，得到的FePS3量子点尺寸聚焦在2～12nm，化学性质稳定，催化性能良好。通过X射线衍射谱(XRD)分析发现量子点表现为极高的纯度，且与块体的晶体结构相同，表明剥离过程没有破坏FePS3的化学成分。

A preparation method and application of FePS3 quantum dots

The invention relates to a FePS3 quantum dot and a preparation method, and the preparation method comprises the following steps: 1) the following steps are as follows: 1) the FePS3 of the block is dispersed in the solution, the chemical peeling of 2 to 12h is carried out at 60~100 C, the suspended liquid is obtained; the suspension is ultrasonic 2 to 12h at 40 to 100W power, and then the large particles are removed and obtained by centrifugation. The clear liquid is a solution containing FePS3 quantum dots. The preparation method of the invention has simple steps and low cost, and the size of the obtained FePS3 quantum dots is focused on 2 to 12NM, with stable chemical properties and good catalytic performance. The X ray diffraction (XRD) analysis showed that the quantum dots showed a high purity, which was the same as the crystal structure of the block, indicating that the exfoliation process did not destroy the chemical composition of FePS3.

【技术实现步骤摘要】
一种FePS3量子点的制备方法及其应用
本专利技术属于无机半导体纳米材料
，具体涉及一种FePS3量子点、其制备方法及其在光催化析氢中的用途。
技术介绍
由于尺寸效应导致的量子限制和对称断裂等有趣特性，二维材料，如石墨烯和g-C3N4，在过去十年中引起了越来越多的关注。理论上存在有大量的二维材料，但只有很少的一部分，其层间解离能小到足以剥离成稳定的单层。其中，金属磷硫(硒)化物(MPTx，如MPS3和MPSe3，M＝Fe，Mn，Ni，Co，Zn等)以其低层间解离能(0.29-0.54Jm-2)和高面内刚度(60-120Nm-1)受到广泛的关注。作为对比，石墨的层间解离能为0.37Jm-2。理论和实验表明，单层的MPTx纳米片可以从其体结构中剥离出来。通过元素选择，MPTx材料的带隙可以在1.3eV到3.5eV变化。并且，进一步的带隙研究表明，这些材料适用于光催化分解水。同时，它们还具有极高的载流子迁移率。例如，单层MnPSe3的电子迁移率在室温下被计算为高达625.9cm2V-1s-1，高于许多二维材料，如单层MoS2(200cm2V-1s-1)和WS2(214cm2V-1s-1)。此外，在各向异性的Heisenberg模型和Ising模型下，单层的MnPS3或FePS3是一个二维的磁系统，这对于理解低维磁场的机理以及构建铁磁-反铁磁异质结构等磁性器件具有重要意义。最近，块体的MPTx材料MPS3(M＝Mn，Fe，Co，Ni，Zn，Cd，Sn)和MPS4(M＝Cr，Ga，Bi)已经被报道合成，其磁性能和电化学性能，例如析氢反应(HER)，析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)被研究。同时，横向尺寸大于15微米的少层(<10层)NiPS3纳米片也已经通过化学气相沉积(CVD)方法生长，并用于高光谱选择性和高检测性紫外光检测器，以及太阳能分解水产氢。此外，在酸性、碱性、磷酸盐缓冲液和中性水溶液的宽pH范围内，少层的FePS3薄片表现出非常好的电催化活性和稳定性。然而，与MPTx材料的种类及其优异的性能相比，相关研究仍然较少，例如MPTx材料不同纳米结构的制备。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷与不足，本申请的第一个目的是提供一种FePS3量子点的制备方法，其由块体的FePS3纳米材料经化学剥离制备得到。优选的，包括如下步骤：1)将块体的FePS3分散于溶液中，于60～100℃进行2～12h的化学剥离，得到的悬浮液；2)将所述悬浮液在40～100W功率下超声2～12h，然后离心去除大颗粒，得到的上清液即为含有FePS3量子点的溶液。本专利技术制备FePS3量子点的过程中，化学剥离的温度为60～100℃，例如为60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、95℃或100℃。本专利技术制备FePS3量子点的过程中，超声功率为40～100W，例如为40W、50W、60W、70W、80W、90W或100W等。本专利技术制备FePS3量子点的过程中，超声时间为2～12h，例如为2h、4h、6h、8h、10h或12h等。若超声时间小于2h，会导致FePS3量子点未能形成或形成量极小；若超声时间长于12h，FePS3量子点已经稳定形成与溶液中，从而没有必要。优选的，所述块体的FePS3以纯的Fe粉、P粉和S粉为原料，通过化学气相传输的方法制备得到。具体的，将摩尔比的Fe粉、P粉和S粉放入石英管中，在真空下密封后，置于500℃～1000℃下加热1～2周。冷却至室温后，得到具有金属光泽的黑色粉末，便是制备出的FePS3块体。优选的，所述液体为水、乙醇、丙酮、水合肼或氨水中的任意一种或至少两种的混合物；优选的，所述溶液为体积分数70～80％的水合肼的水溶液。块体的FePS3在化学剥离的过程中，主要通过溶液对块体的层间结构进行作用，上述的水合肼溶液的效果最好。优选的，所述块体的FePS3在溶液中的浓度为1.2～1.8g/L。优选的，本专利技术的方法包括如下步骤：1)将块体FePS3分散于70～80％水合肼溶液中，控制其浓度为1.2～1.8g/L，于60～80℃进行3.5～4.5h的化学剥离，得到的悬浮液；2)将所述悬浮液在90～100W功率下超声3.5～4.5h，离心去除大颗粒，得到FePS3量子点溶液。优选地，所述离心转速为1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000或10000转每分钟，优选为5000转每分钟。优选地，所述离心时间为1、5、10、15、20、30、50或100分钟，优选为5分钟。作为本专利技术所述方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：1)将块体FePS3分散于80％水合肼溶液中，控制其浓度为1.5g/L，于80℃进行4h的化学剥离，得到的悬浮液；2)将所述悬浮液在100W功率下超声4h，然后以5000转每分离心5分钟去除大颗粒，得到FePS3量子点溶液。采用水合肼为溶液的制备过程中，发生的反应为部分N2H4在被氧化成N2H5+进入FePS3插层中，当混合物加热时，由于其热稳定性差，插入的N2H5+被分解成N2，NH3和H2。因此，通过FePS3晶体被插入的N2H4分子的分解和气化所扩展，产生巨大的体积膨胀。最后，通过大功率超声波使得膨胀的FePS3晶体破碎，制备量子点。本专利技术所述的制备方法步骤简单，成本低，得到的FePS3量子点尺寸聚焦在2～12nm，化学性质稳定。通过X射线衍射谱(XRD)分析发现量子点表现为极高的纯度，且与块体的化学性质相同，表明分离的过程可保持FePS3的化学性质。本专利技术的另一目的是保护本专利技术的方法制备得到的FePS3量子点。尺寸对促进光催化水分解起着关键的作用，因为尺寸越小，更多的边界被暴露，提供了大量的活动位点，应用于光催化析氢有较好的性能。本申请的量子点尺寸小，析氢速率提升至块体的3倍，最高可达0.29mmolg-1h-1，并且稳定性良好，实验表明，在40个小时的光催化制氢测试中，量子点表现出强大的稳定性。本专利技术的FePS3量子点，内部结晶良好，有助于光生载流子的传输，从而提高光解水效率和稳定性。优选的，本专利技术所术所述量子点尺寸为2～12nm，带隙为2～3eV。进一步优选的，本专利技术所术所述量子点尺寸为4～8nm，带隙为2～2.4eV。本专利技术的最后一个目的是保护本专利技术所述的量子点在光催化分解水析氢方面的应用。优选的，其应用的形式为，将量子点溶液旋涂在FTO基底上，干燥后得量子点光催化剂；进一步优选的，所述FTO基底上量子点的负载量为0.1～1mgcm-2。附图说明图1a是用CVT法合成块体FePS3的示意图；图1b是合成的块体FePS3的扫描电镜图(SEM)俯视图；图1c是合成的块体FePS3的能谱分析(EDS)；图1d是块体FePS3的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)晶格条纹像；图2a是块体FePS3的结构示意图；图2b是块体FePS3被N2H4化学剥离的示意图；图2c和2d是合成的FePS3量子点的透射电镜(TEM)图；图2e是图2d中量子点的尺寸统计图；图2f是一个约7nm的FePS3量子点的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)晶格条纹像；图3a是FePS3块体和量子点的X射线衍射谱(XRD)分析对比图；图3b是Fe本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种FePS3量子点的制备方法，其特征在于，所述FePS3量子点由块体的FePS3纳米材料经化学剥离制备得到。

【技术特征摘要】
1.一种FePS3量子点的制备方法，其特征在于，所述FePS3量子点由块体的FePS3纳米材料经化学剥离制备得到。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将块体的FePS3分散于溶液中，于60～100℃进行2～12h的化学剥离，得到的悬浮液；2)将所述悬浮液在40～100W功率下超声2～12h，然后离心去除大颗粒，得到的上清液即为含有FePS3量子点的溶液。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述块体的FePS3为以纯的Fe粉、P粉和S粉为原料，通过化学气相传输法制备得到。4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述溶液为水、乙醇、丙酮、水合肼或氨水中的任意一种或至少两种的混合物，优选为体积分数70～80...

【专利技术属性】
技术研发人员：何军，程中州，爱迪尔·该，阿米尔·玛杰，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11