一种改性黑磷烯及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于新型二维材料黑磷烯制备和应用技术领域，本发明专利技术公开了一种改性黑磷烯及其制备方法与应用。该制备方法首先采用黑磷晶体制成黑磷烯，然后用黑磷烯和聚叠氮化合物制成黑磷烯混合液，最后对黑磷烯混合液进行热处理即得改性黑磷烯。本发明专利技术利用聚叠氮化合物的叠氮基与黑磷烯表面反应生成P＝N基团，可以增大黑磷烯在空气中的稳定性，并且，所制备的改性黑磷烯还具有黑磷纳米片本身的良好的特性：良好的载流子迁移率、可调谐的带隙和高度的各向异性等，因而本发明专利技术所制备的改性黑磷烯可广泛应用于催化剂材料、电化学材料或航空材料等领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
一种改性黑磷烯及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及新型二维材料黑磷烯制备和应用
，尤其涉及一种改性黑磷烯及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]2014年，一种新型二维材料单层黑磷—黑磷烯(PN)通过胶带技术被制备出来，与石墨烯相比，黑磷烯的最大理论表面积为2400m2g
‑1，具有更高的导电(载流子迁移率达到160000cm2/(V
·
s))和导热性能(导热系数为8500W/(m
·
K))，同时，黑磷烯可以和O2反应释放出大量热，相比于石墨烯能量惰性，黑磷烯可以作为一种含能组分。但是，黑磷烯的应用过程还面临一个非常大的难题，即它在空气中容易降解，其原因是：黑磷烯在平面外具有很强的偶极矩，使得黑磷烯表面易吸附水和氧生成磷氧化合物从而降解。为扩大黑磷烯的应用领域，已经开始研究黑磷烯的稳定性，但研究结果并不理想，其原因是：在空气中稳定黑磷烯的同时，会引进一定量的其他元素原子或基团，从而改变黑磷烯的物理化学性质，进而影响其实际的应用。尤其是将黑磷烯引入到含能复合材料时，会因为新元素或基团的引入而导致体系能量水平下降。
[0003]另外，有研究学者将黑磷烯纳米片作为二维纳米填料用于增强聚乙烯醇(PVA)基体时发现，当加入量为3.11wt％，达到最大拉伸强度316.9MPa，是纯PVA的的1.9倍，随着加入量的进一步增加，机械性能开始下降。导致此结果的原因是黑磷烯纳米片出现了团聚现象。
[0004]因此，如何解决黑磷烯在空气中易氧化以及黑磷烯作为二维填料增强基体时易出现团聚的现象成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种改性黑磷烯及其制备方法与应用，有效解决了黑磷烯在空气中易氧化以及黑磷烯作为二维填料增强基体时易出现团聚的现象等技术问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种改性黑磷烯的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将黑磷晶体制备成BP
‑
水溶液，再将BP
‑
水溶液制备成黑磷烯；
[0009]S2、将步骤S1得到的黑磷烯分散在反应溶剂中得到黑磷烯分散液，再向黑磷烯分散液中加入聚叠氮化合物得到黑磷烯混合液；
[0010]S3、将步骤S2得到的黑磷烯混合液进行热处理，生成改性黑磷烯；
[0011]以上步骤均在保护气体下进行。
[0012]所述步骤S1中，BP
‑
水溶液的浓度为1～10mg/mL。
[0013]所述步骤S2中，黑磷烯与反应溶剂的溶度比为1～5mg/mL，黑磷烯与聚叠氮化合物的质量比为1:50～70；
[0014]所述反应溶剂为N，N
‑
二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N
‑
甲基吡咯烷酮、聚乙二醇中的
一种或几种。
[0015]所述步骤S2中，所述聚叠氮化合物为聚叠氮缩水甘油醚、聚3
‑
叠氮甲基
‑
3,甲基氧杂环丁烷、聚3,3
‑
双叠氮甲基氧杂环丁烷、3,3
‑
双叠氮甲基环氧丁烷
‑
四氢呋喃共聚醚中的一种或几种。
[0016]所述步骤S2中，加入聚叠氮化合物后进行搅拌，得到黑磷烯混合液；所述搅拌速度为100～1500rpm，搅拌时间为1～5h。
[0017]所述的保护气体为氮气、氩气、氦气、氖气和二氧化碳中的一种。
[0018]所述步骤S3中，进行热处理时，以2～10℃/min速率升温至100～200℃，然后保温12～60h。
[0019]对热处理后的混合物再进行冷却、离心、洗涤、干燥即得改性黑磷烯；
[0020]所述冷却温度为室温；
[0021]所述离心的时间为10～30min，离心的转速为3000～10000rpm；
[0022]所述洗涤时先用反应溶剂进行洗涤，再用水或乙醇进行洗涤；
[0023]所述干燥的方式为介质为二氧化碳的临界点干燥、超临界干燥、真空干燥和冷冻干燥中的一种。
[0024]本专利技术提供了由上述方法所制备的改性黑磷烯。
[0025]本专利技术还提供了一种上述改性黑磷烯在催化剂材料、电化学材料或航空材料中的应用。
[0026]本专利技术所述技术方案的原理为：PN表面P元素与叠氮聚合物的叠氮基形成P＝N双键，占据P元素表面的孤对电子，实现磷原子的五配位键合，从而防止孤对电子与空气中的水和氧反应，使PNs完全钝化。
[0027]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0028]1、本专利技术方法制备的黑磷烯具有在空气中稳定，不被氧化降解的特点。
[0029]2、本专利技术方法采用聚叠氮化合物作为黑磷烯稳定修饰剂，将黑磷烯引入到含能复合材料时，不会导致体系能量水平下降。
[0030]3、本专利技术方法采用聚叠氮化合物作为黑磷烯稳定修饰剂，引入了带有活性羟基基团，可以参加聚氨酯等可以和羟基反应的体系，提高界面作用力，促进相容性，降低团聚现象，提高体系的机械性能。
[0031]4、本专利技术制备过程简单可控。
[0032]5、由于本专利技术使用的处理、干燥设备简单常见，不需要添加昂贵设备，，因此属于低成本实验绿色制备工艺。
[0033]6、本专利技术利用聚叠氮化合物的叠氮基与黑磷烯表面反应生成P＝N基团，可以增大黑磷烯在空气中的稳定性，并且，所制备的改性黑磷烯还具有黑磷纳米片本身的良好的特性：良好的载流子迁移率、可调谐的带隙和高度的各向异性等，因而本专利技术所制备的改性黑磷烯可广泛应用于催化剂材料、电化学材料或航空材料等领域。
附图说明
[0034]图1中，a图和b图分别是实施例1得到的PNs的TEM和HR
‑
TEM图像，c图和d图分别是实施例1得到的GAP
‑
PN的TEM和HR
‑
TEM图像，e图为GAP
‑
PN的STEM图像和STEM
‑
edx元素映射
图像；
[0035]图2是GAP功能化PNs的反应过程图；
[0036]图3中，(a)图和(b)图分别是实施例1得到的PNs的3DAFM图像和AFM图像，(c)图和(d)图分别是实施例1得到的GAP
‑
PN的3DAFM图像和AFM图像，(e)图和(f)图分别是实施例1得到的PNs和GAP
‑
PN的高度图；
[0037]图4中，(a)图为实施例1得到的PNs和GAP
‑
PN的拉曼光谱图，(b)图为原始PNs和GAP
‑
PN的
31
P
‑
NMR谱图(*为自旋边带峰)，(c)图和(d)图分别为原始PNs和GAP的XPS光谱图，(e)图和(f)图均为实施例1得到的GAP本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性黑磷烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将黑磷晶体制备成BP
‑
水溶液，再将BP
‑
水溶液制备成黑磷烯；S2、将步骤S1得到的黑磷烯分散在反应溶剂中得到黑磷烯分散液，再向黑磷烯分散液中加入聚叠氮化合物得到黑磷烯混合液；S3、将步骤S2得到的黑磷烯混合液进行热处理，生成改性黑磷烯；以上步骤均在保护气体下进行。2.根据权利要求1所述的一种改性黑磷烯的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，BP
‑
水溶液的浓度为1～10mg/mL。3.根据权利要求1或2所述的一种改性黑磷烯的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，黑磷烯与反应溶剂的溶度比为1～5mg/mL，黑磷烯与聚叠氮化合物的质量比为1:50～70；所述反应溶剂为N，N
‑
二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N
‑
甲基吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种或几种。4.根据权利要求3所述的一种改性黑磷烯的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述聚叠氮化合物为聚叠氮缩水甘油醚、聚3
‑
叠氮甲基
‑
3,甲基氧杂环丁烷、聚3,3
‑
双叠氮甲基氧杂环...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国平，李胜楠，罗运军，王晓青，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：