[发明专利]一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

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。

发明内容

针对目前掺杂黑磷存在的问题，本发明提供了一种电化学辅助制备掺杂纳米黑磷的方法，本发明方法制备成本较低、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。

本发明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50~650 mA/g，反应时间为0.05~50 h。

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2000~12000 r/min，时间为5~80 min。

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。

采用本发明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。

本发明的有益效果：

1、本发明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