黑磷纳米片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种黑磷纳米片及其制备方法和应用。该黑磷纳米片的制备方法包括如下步骤：以黑磷作为阴极，将黑磷和阳极置于电解液中，并对黑磷和阳极通电以进行电化学反应，得到膨胀黑磷，电解液为离子液体，或者，电解液为季铵盐溶液；将膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离，得到剥离浆料；将剥离浆料与含硫和氮的杂环有机物混合反应，得到黑磷纳米片。上述方法制备的黑磷纳米片结构较为稳定且分散性较好。

Black phosphorus nanotablets and their preparation methods and Applications

The invention relates to a black phosphorus nanosheet, a preparation method and application thereof. The preparation method of the black phosphorus nanosheet includes the following steps: using black phosphorus as cathode, placing black phosphorus and anode in electrolyte, and electrifying black phosphorus and anode for electrochemical reaction, to obtain expanded black phosphorus, the electrolyte as ionic liquid, or the electrolyte as quaternary ammonium salt solution; mixing expanded black phosphorus and oil-soluble solvent for ultrasonic peeling, to obtain peeling slurry; Black phosphorus nanosheets were prepared by mixing the slurry with heterocyclic organic compounds containing sulfur and nitrogen. The black phosphorus nanosheets prepared by the above methods have stable structure and good dispersion.

【技术实现步骤摘要】
黑磷纳米片及其制备方法和应用
本专利技术涉及材料化学领域，特别是涉及一种黑磷纳米片及其制备方法和应用。
技术介绍
二维黑磷兼具优异的载流子迁移率(>1000cm2Vs-1)和层数相关的连续带隙结构(0.3～2.1eV)，且任意层数的黑磷都具有直接能级带隙，使得其在光电器件领域的应用具有得天独厚的结构优势。然而当前基于二维黑磷的研究基本集中于以机械剥离法为核心的基础理论研究，许多黑磷的性质和应用难题仍亟待解决。目前，结构稳定性和分散性较差是限制黑磷应用的核心瓶颈问题之一。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种结构较为稳定且分散性较好的黑磷纳米片的制备方法。此外，还提供一种黑磷纳米片和应用。一种黑磷纳米片的制备方法，包括如下步骤：以黑磷作为阴极，将所述黑磷和阳极置于电解液中，并对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应，得到膨胀黑磷，所述电解液为离子液体，或者，所述电解液为季铵盐溶液，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐及1,-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种；所述季铵盐溶液的溶质选自1-乙基-3-甲基四氟硼酸铵、正丁基四氯酸铵、正丁基四氟硼酸铵及正丁基四氟磷酸铵中的至少一种；将所述膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离，得到剥离浆料；及将所述剥离浆料与含硫和氮的杂环有机物混合反应，得到所述黑磷纳米片。在其中一个实施例中，所述对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应的步骤为：对所述黑磷和所述阳极施加1V～10V的电压以进行电化学反应。在其中一个实施例中，所述对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应的步骤为：对所述黑磷和所述阳极施加密度为1mA/cm2～100mA/cm2的电流以进行电化学反应。在其中一个实施例中，所述将所述膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离的步骤之前还包括对所述膨胀黑磷进行分离纯化的步骤，所述分离纯化的步骤包括：去除所述反应体系中的所述阳极，再将所述反应体系进行离心分离，得到滤渣，清洗所述滤渣，得到纯化的所述膨胀黑磷。在其中一个实施例中，所述对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应的步骤、所述将所述膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离的步骤及所述将所述剥离浆料与含硫和氮的杂环有机物混合反应的步骤均是在空气的条件下进行的。在其中一个实施例中，所述膨胀黑磷与所述含硫和氮的杂环有机物的摩尔比为0.1:1～10:1。在其中一个实施例中，所述油溶性溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮及四氢呋喃中的至少一种；及/或，所述季铵盐溶液的溶质的浓度为0.05g/mL～10g/mL；及/或，所述季铵盐溶液的溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮及四氢呋喃中的一种。在其中一个实施例中，所述阳极选自铂、石墨碳棒及石墨烯纸中的一种。上述的黑磷纳米片的制备方法制备得到的黑磷纳米片。上述黑磷纳米片在制备场效应晶体管中的应用。上述黑磷纳米片的制备方法通过将通过以黑磷作为阴极，并以上述离子液体或上述季铵盐溶液为电解液，与阳极通电进行电化学反应，从而得到膨胀石墨，通过将膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离，得到剥离浆料，将剥离浆料与含硫和氮的杂环有机物混合反应，从而得到离子盐共价修饰的黑磷纳米片，经实验证明，该黑磷纳米片结构较为稳定且分散性较好。附图说明图1为实施例1制备得到的黑磷纳米片的拉曼(Raman)光谱图；图2为实施例1制备得到的黑磷纳米片的透射(TEM)电镜图；图3为图1对应选区的电子衍射图；图4为图2放大1000倍的放大图；图5为实施例1的黑磷纳米片制备得到的场效应晶体管的空穴迁移率的柱状图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。一实施方式的黑磷纳米片的制备方法，包括如下步骤：步骤S110：以黑磷作为阴极，将黑磷和阳极置于电解液中，并对黑磷和阳极通电以进行电化学反应，得到膨胀黑磷。在其中一个实施例中，对黑磷和阳极通电以进行电化学反应的步骤为：对黑磷和阳极施加1V～10V的电压以进行电化学反应。过低的电压(小于1V)虽然可以驱动反应，但反应速率太慢；电压太高(大于10V)，反应溶剂会在电场下发生分解而变质。在另一个实施例中，对黑磷和阳极通电以进行电化学反应的步骤为：对阴极和阳极施加密度为1mA/cm2～100mA/cm2的电流以进行电化学反应。过低的电流密度(小于1mA/cm2)下，剥离速率太慢；电流密度过大(大于100mA/cm2)，反应太快，剥离不完全材料就可能从电极上脱落而剥离效果不理想。具体地，电解液为离子液体或季铵盐溶液；更具体地，离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐及1,-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种；季铵盐溶液的溶质选自1-乙基-3-甲基四氟硼酸铵、正丁基四氯酸铵、正丁基四氟硼酸铵及正丁基四氟磷酸铵中的至少一种。具体地，季铵盐溶液的溶质的浓度为0.05g/mL～10g/mL。季铵盐溶液的溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)及四氢呋喃(THF)中的至少一种。具体地，阳极选自铂、石墨碳棒及石墨烯纸中的一种。其中，铂为铂丝或铂片。步骤S120：将膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离，得到剥离浆料。具体地，膨胀黑磷和油性溶剂的质量体积比为1mg:1000mL～10mg:1mL，该配比剥离效果较好，黑磷过多超声剥离效果差，黑磷过少降低生产效率低。超声剥离时的功率为5W～50W，剥离时间为5分钟～60分钟。具体地，将膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离的步骤之前还包括对膨胀黑磷进行分离纯化的步骤，其中，分离纯化的步骤包括：去除反应体系中的阳极，再将反应体系进行离心分离，得到滤渣，清洗滤渣，得到纯化的膨胀黑磷。其中，清洗滤渣的步骤中，使用有机溶剂清洗滤渣；有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)及四氢呋喃(THF)中的至少一种。具体地，油溶性溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)及四氢呋喃(THF)中的至少一种。更具体地，油溶性溶剂与清洗滤渣的有机溶剂相同，有利于材料分析，同时也便于实验操作。可以理解，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种黑磷纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以黑磷作为阴极，将所述黑磷和阳极置于电解液中，并对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应，得到膨胀黑磷，所述电解液为离子液体，或者，所述电解液为季铵盐溶液，所述离子液体选自1‑乙基‑3‑甲基咪唑溴盐、1‑乙基‑3‑甲基咪唑氯盐、1‑乙基‑3‑甲基咪唑碘盐、1‑乙基‑2,3‑二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2‑二乙基‑3‑甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2‑二甲基‑3‑乙基咪唑溴盐、1,2‑二甲基‑3‑乙基咪唑氯盐及1,‑二甲基‑3‑乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种；所述季铵盐溶液的溶质选自1‑乙基‑3‑甲基四氟硼酸铵、正丁基四氯酸铵、正丁基四氟硼酸铵及正丁基四氟磷酸铵中的至少一种；将所述膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离，得到剥离浆料；及将所述剥离浆料与含硫和氮的杂环有机物混合反应，得到所述黑磷纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种黑磷纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以黑磷作为阴极，将所述黑磷和阳极置于电解液中，并对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应，得到膨胀黑磷，所述电解液为离子液体，或者，所述电解液为季铵盐溶液，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐及1,-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种；所述季铵盐溶液的溶质选自1-乙基-3-甲基四氟硼酸铵、正丁基四氯酸铵、正丁基四氟硼酸铵及正丁基四氟磷酸铵中的至少一种；将所述膨胀黑磷和油溶性溶剂混合进行超声剥离，得到剥离浆料；及将所述剥离浆料与含硫和氮的杂环有机物混合反应，得到所述黑磷纳米片。2.根据权利要求1所述的黑磷纳米片的制备方法，其特征在于，所述对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应的步骤为：对所述黑磷和所述阳极施加1V～10V的电压以进行电化学反应。3.根据权利要求1所述的黑磷纳米片的制备方法，其特征在于，所述对所述黑磷和所述阳极通电以进行电化学反应的步骤为：对所述黑磷和所述阳极施加密度为1mA/cm2～100mA/cm2的电流以进行电化学反应。4.根据权利要求1所述的黑磷纳米片的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏陈良，李瑛，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44