[发明专利]一种钙元素掺杂改性二维黑磷纳米片的制备与储氢方法

说明书

本发明提供一种钙元素掺杂改性二维黑磷纳米片的制备与储氢方法，制备方法包括如下步骤：将块状黑磷(BP)和单质钙封装石英安瓿管中，加热到700～750℃，保温50～70min，降温到480～520℃，保温2～3h，然后缓慢降温到140～160℃，最后冷却到室温，得到Ca掺杂黑磷晶体(Ca‑BP晶体)；将制得的钙元素掺杂黑磷晶体，以N‑甲基吡咯烷酮(NMP)为分散剂，配制成浓度为0.6～1g/L的钙元素掺杂黑磷晶体分散液，超声分散后，将钙元素掺杂黑磷晶体分散液离心即得到钙元素掺杂改性二维黑磷纳米片。本发明能够同时钝化‑稳定化二维黑磷纳米片并提升其储氢性能，并可有效提升二维黑磷纳米片的化学稳定性，并实现温和高效储氢。

技术领域

本发明涉及环境纳米材料在绿色能源中的应用技术领域，具体地说是一种钙元素掺杂改性二维黑磷纳米片的制备与储氢方法。

背景技术

二维黑磷具有优异的片层结构和纳米效应，被认为是最具应用前景的后石墨烯纳米材料。由于二维黑磷纳米片的层维度可控，其层间吸附空位多，温和结合与释放氢的能力强，因此可作为储存绿色能源氢的潜在功能材料。然而，二维黑磷的环境稳定性较差，在常温常压下易与氧气和水发生反应，生成磷酸盐，从而发生降解，导致其在储氢领域应用受到限制。

将二维黑磷纳米片用于储氢，需首要解决的关键问题是黑磷钝化-稳定化。二维黑磷常规钝化-稳定化方法主要有三种：一是表面物理包覆，包括电子封装法和覆盖包裹法，二是表面功能化，三是元素掺杂。虽然二维黑磷经过包覆钝化可以达到稳定化的效果，但依然不能达到储氢的要求，主要原因是表面物理包覆法实施过程中氢气完全接触不到黑磷导致氢气分子无法与黑磷片层间发生接触结合。黑磷表面功能化法主要原理是通过在二维黑磷层间或表面接枝可有效限制水与黑磷接触的疏水性官能团，从而达到黑磷隔绝水暴露的目的，这一方法也可实现黑磷稳定化的目的，但在储氢过程中容易导致氢气分子与黑磷表面异体官能团结合，使得氢分子解析困难，易储难释。黑磷元素掺杂法是通过共价结合等手段向黑磷(BP)纳米片结构中引入其他元素，从而提高其反应键能，降低黑磷的化学反应活性，但由于掺杂元素的主要目的是增加黑磷稳定性，因此这一方法也同样未考虑如何改善二维黑磷的储氢效果问题。

因此，本发明拟提供一种既可以钝化-稳定化二维黑磷又可以提升其储氢性能的新方法，从而同时解决二维黑磷稳定性和储氢功能的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对二维黑磷纳米片稳定性差且储氢效率不高的问题，提供钙掺杂二维黑磷晶体纳米片的制备与储氢方法，本发明所述方法能够同时钝化-稳定化二维黑磷纳米片并提升其储氢性能，并可有效提升二维黑磷纳米片的化学稳定性，并实现温和高效储氢。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钙元素掺杂改性二维黑磷纳米片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.制备钙元素掺杂黑磷晶体(Ca-BP晶体)：将块状黑磷(BP)和单质钙按照质量比10～50:1封装石英安瓿管中，然后将其置于加热炉中加热到700～750℃，保温50～70min，降温到480～520℃，保温2～3h后，降温到140～160℃，然后自然冷却到室温，得到钙元素掺杂黑磷晶体；

步骤2.制备钙元素掺杂改性二维黑磷纳米片(Ca-2D-BP)：取步骤1中制备的钙元素掺杂黑磷晶体，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散剂，配制成浓度为0.6～1g/L的钙元素掺杂黑磷晶体分散液，超声分散后得到钙元素掺杂改性二维黑磷纳米片。

进一步地，所述步骤1中升温、降温速率均为3～5℃/min。

进一步地，所述步骤1中黑磷纯度99.998％，钙的纯度为99.9％。

进一步地，所述步骤2的超声分散条件为，频率：40～45kHz、功率：100％，超声时间为：6～7h。

进一步地，所述步骤2的超声分散采用水浴的方式，过程中保证水浴温度30℃。