一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法技术

本发明专利技术公开了一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，该方法是将黑磷用金属固定在铂夹上作为阳电极，惰性电极作对电极，阳电极、对电极和电解液构成电解池，在惰性气体气氛保护下恒流反应，在恒电流作用下，电解液中的离子插入层状黑磷中，得到纳米黑磷，同时，金属被氧化成金属阳离子后掺杂在纳米黑磷上，最后，将反应产物洗涤、干燥，得到金属掺杂的纳米黑磷；本发明专利技术不但制备成本较低、产品质量高，而且金属掺杂的纳米黑磷的制备可规模化、效率高、绿色环保、可控性强；本方法制备金属掺杂的纳米黑磷在储能、催化、自旋电子器件、肥料等领域具有很好的应用前景。

A method of electrochemical assisted preparation of doped black phosphorus nanoparticles

【技术实现步骤摘要】
一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法
本专利技术涉及一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，属于纳米材料

技术介绍
黑磷是一种新型的二维材料，它具有很多优异的性能，例如高度的各向异性、较高的载流子迁移率和开关比、层数可调的直接带隙、良好的光学和电子性能等，在场效应晶体管、太阳能电池、储能电池、生物医药、传感器、催化等领域展现出了很好的应用前景。根据密度泛函理论，掺杂黑磷可有效调控黑磷的电子结构和磁性，从而促进黑磷的应用与发展。迄今为止，掺杂黑磷已经报道了很多种方法，其中，CN109913942A公开了一种气相输运掺杂黑磷单晶的方法，但是该方法只能在材料表层掺杂，掺杂不均匀，影响材料的后续应用。高温高压掺杂黑磷制备条件苛刻，成本高。球磨法掺杂黑磷会破坏材料的晶型结构，影响后续应用。矿化法掺杂黑磷耗时长。
技术实现思路
针对目前掺杂黑磷存在的问题，本专利技术提供了一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，本专利技术方法制备成本较低、产品质量高，而且掺杂纳米黑磷的制备可规模化、效率高、绿色环保、可控性强。本专利技术电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法步骤如下：（1）将黑磷用金属材料固定在铂夹上作为阳电极，惰性电极作对电极，阳电极、对电极和电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；（2）启动电源，在低温、惰性气氛、恒电流作用下，电解液中的离子发生插层反应，同时，金属被氧化成金属阳离子后掺杂在纳米黑磷上；（3）将反应产物洗涤、干燥，得到金属掺杂的纳米黑磷。>所述固定黑磷的金属材料是Al、Zn、Fe、Sn、Cu、Ag、Ni中的一种或几种。所述惰性电极为铂丝、碳棒、金丝、钛丝中的一种。所述电解液为碳酸、磷酸、硫酸、碳酸盐、磷酸盐或硫酸盐水溶液中的一种。所述电化学反应为恒流反应，电流密度为50~650mA/g，反应时间为0.05~50h。所述惰性气氛为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的任意一种。所述低温为-2℃~-50℃。所述反应产物洗涤方式为抽滤洗涤或离心洗涤，抽滤洗涤次数为1~5次；离心洗涤转速为2000~12000r/min，时间为5~80min。所述干燥方式为真空干燥、冷冻干燥或超临界萃取干燥中的任意一种。采用本专利技术方法制得的纳米黑磷为黑磷纳米片、黑磷量子点、多孔黑磷纳米片、黑磷纳米带中的任意一种。本专利技术的有益效果：1、本专利技术采用电化学辅助制备掺杂纳米黑磷，与现有方法相比，该方法通过控制电流密度和金属类型制备不同形态的掺杂纳米黑磷，可控性强；2、该方法制备过程中原料损耗小，因此制备成本低、效率高，且采用无机溶液剥离，更加绿色环保，产品质量也高；3、该方法制备的掺杂纳米黑磷可掺杂不同的金属种类，在储能、催化、自旋电子器件、肥料等领域具有很好的应用前景。附图说明图1为实施例1制备的铜掺杂的多孔黑磷纳米片的分散液；图2为实施例1制备的铜掺杂的多孔黑磷纳米片的拉曼光谱图；图3为实施例1制备的铜掺杂的多孔黑磷纳米片的XPS全谱图；图4为实施例2制备的铁掺杂的黑磷量子点的AFM图。具体实施方式下面通过附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术保护范围不局限于所述内容。实施例1：本电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法如下：首先，将黑磷用铜丝固定在铂夹上作为阳电极，铂丝作为对电极，阳电极、对电极和1.0mol/L的碳酸电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；启动电源，在氩气气氛保护、-2℃、恒定电流密度为400mA/g条件下，恒流反应20h；收集反应产物，反应产物抽滤洗涤5次，冷冻干燥，得到铜掺杂的多孔黑磷纳米片。铜掺杂的多孔黑磷纳米片的分散液、拉曼光谱图、XPS图分别如下图1、2、3所示；从图1可看出，铜掺杂的多孔黑磷纳米片的颜色呈酒红色；图2为本实施例制备的铜掺杂的多孔黑磷纳米片与黑磷的的拉曼对比图，从图中可知，铜掺杂的多孔黑磷纳米片出现了由磷原子的面外振动引起的峰以及由磷原子的面内振动引起的和峰，且与黑磷峰相比，发生了不同程度的蓝移，说明制备出的是纳米黑磷。图3为本实施例制备的铜掺杂的多孔黑磷纳米片的XPS全谱图，从全谱图中不仅可以看到纳米黑磷的P2s和P2p的峰，还能看到掺杂上去的Cu的峰，证明制备出的是铜掺杂的纳米黑磷。实施例2：本电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法如下：将黑磷用铁丝固定在铂夹上作为阳电极，碳棒作为对电极，阳电极、对电极和1.5mol/L的磷酸电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；启动电源，在氮气气氛保护、-10℃、恒定电流密度为150mA/g条件下，恒流反应40h，收集反应产物，对反应产物抽滤洗涤3次，真空干燥，得到铁掺杂的黑磷量子点。图4为铁掺杂的黑磷量子点的的AFM图，由图可知，量子点的平均直径约为2.85μm，且量子点尺寸均匀。实施例3：本电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法如下：将黑磷用锌丝固定在铂夹上作为阳电极，金丝作为对电极，阳电极、对电极和2.0mol/L的硫酸电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；启动电源，在恒定电流密度为650mA/g、氦气气氛保护、-20℃条件下，恒流反应0.05h，收集反应产物，反应产物抽滤洗涤1次，超临界萃取干燥，得到锌掺杂的黑磷量子点。实施例4：本电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法如下：将黑磷用镍丝固定在铂夹上作为阳电极，钛丝作为对电极，阳电极、对电极和0.5mol/L的磷酸钠电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；启动电源，在恒定电流密度为100mA/g、氖气气氛保护、-30℃条件下，恒温反应45h，收集反应产物，离心洗涤，离心转速为12000r/min，时间为5min，冷冻干燥，得到镍掺杂的黑磷纳米片。实施例5：本电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法如下：将黑磷用铝丝固定在铂夹上作为阳电极，金丝作为对电极，阳电极、对电极和1.5mol/L的碳酸钠电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；启动电源，在恒定电流密度为500mA/g、在氪气气氛、-40℃条件下，恒温反应1h，收集反应产物，产物离心洗涤，离心转速为2000r/min，时间为80min，真空干燥，得到铝掺杂的黑磷纳米带。实施例6：本电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法如下：将黑磷用锡丝固定在铂夹上作为阳电极，碳棒作为对电极，阳电极、对电极和2.0mol/L的硫酸钠电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接启动电源，在恒定电流密度为300mA/g、氡气气氛保护、-50℃条件下，恒流反应15h，收集反应产物，产物离心洗涤，离心洗涤转速为7000r/min，时间为40min，超临界萃取干燥，得到锡掺杂的多孔黑磷纳米片。实施例7：本电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，其特征在于，具体步骤如下：/n（1）将黑磷用金属材料固定在铂夹上作为阳电极，惰性电极作对电极，阳电极、对电极和电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；/n（2）启动电源，在低温、惰性气氛、恒电流作用下，电解液中的离子发生插层反应，同时，金属被氧化成金属阳离子后掺杂在纳米黑磷上；/n（3）将反应产物洗涤、干燥，得到金属掺杂的纳米黑磷。/n

【技术特征摘要】
1.一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将黑磷用金属材料固定在铂夹上作为阳电极，惰性电极作对电极，阳电极、对电极和电解液构成电解池，阳电极、对电极分别与电源的正负极连接；
（2）启动电源，在低温、惰性气氛、恒电流作用下，电解液中的离子发生插层反应，同时，金属被氧化成金属阳离子后掺杂在纳米黑磷上；
（3）将反应产物洗涤、干燥，得到金属掺杂的纳米黑磷。


2.根据权利要求1所述的电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，其特征在于：固定黑磷的金属材料是Al、Zn、Fe、Sn、Cu、Ag、Ni中的一种或几种。


3.根据权利要求1所述的电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，其特征在于：惰性电极为铂丝、碳棒、金丝或钛丝。


4.根据权利要求1所述的电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，其特征在于：电解液为碳酸、磷酸、硫酸、碳酸盐、磷酸盐或硫酸盐水溶液中的一种。

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【专利技术属性】
技术研发人员：廉培超，侯冉冉，梅毅，卢秋菊，赵俊平，蒋运才，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53