CN105217611B - 黑磷烯量子点‑石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黑磷烯量子点‑石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，首先将剪切粉碎法制备的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到含有氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯纳米片的表面；然后将溶液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料；将块状胶体复合材料从高压反应釜中取出后，完全浸入去离子水中，使得块状胶体复合材料内部的乙醇和水相互交换，最终形成充满水的块状胶体复合材料；将块状胶体取出后进行冷冻干燥，即可得到所需材料。本发明方法制备的材料在有毒有害物质检测、微电子传感器件方面具有潜在应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，使用溶剂热方法制备三维复合材料，属于复合材料制备技术。
背景技术
二维纳米材料如石墨烯、过渡金属硫化物等，以其优异的物理和结构特性已经在电子、传感和光电器件等多领域表现出非凡的应用潜力。其中，石墨烯作为最具代表性的二维材料已经被广泛研究。它具有超高的载流子迁移率，但缺乏带隙却严重阻碍了石墨烯在逻辑半导体器件如场效应晶体管中的应用。而作为过渡金属硫化物半导体家族的代表成员，二硫化钼(MoS2)具有明显的带隙，且在n-型晶体管中表现出优异的开关比特性(>108)。然而，MoS2中结构缺陷存在可能会导致电子迁移率的降低，从而影响它的电学性能。因此，探索更多的新型功能二维半导体材料仍然意义重大。近年来，具有单层或者少层黑磷原子层结构的黑磷烯，以其较高的的载流子迁移率(200～1000cm2V-1s-1)、可调节的直接带隙、较大的开关比特性(104～105)和各向异性等，逐渐成为最具潜力的适用于高性能电子和光电子器件的二维半导体材料。因此，亟须一种合成制备方法，能够将黑磷烯和石墨烯两种二维材料结合起来，形成同时具有两者优异物理特性的复合材料，必将拓宽黑磷烯和石墨烯复合材料在有毒有害物质检测、光电器件以及光学等诸多领域的潜在应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，利用机械搅拌的方法将黑磷烯量子点复合到氧化石墨烯表面，并加以后续的溶剂热反应和冷冻干燥步骤，可实现黑磷烯量子点修饰的氧化石墨烯的溶剂热还原和三维成型，具有低成本、规模化制备的潜能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，首先将剪切粉碎法制备的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到含有氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯纳米片的表面，形成黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液；然后将黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料；将充满乙醇的块状胶体复合材料从高压反应釜中取出后，完全浸入去离子水中，使得块状胶体复合材料内部的乙醇和水相互交换，最终形成充满水的块状胶体复合材料；将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；最后将黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料在氩气或氮气保护下进行高温热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量。
上述黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法的具体实现步骤如下：
(1)首先将剪切粉碎法制备的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到含有氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯的表面，形成黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液；所述黑磷烯量子点乙醇溶液的浓度为0.001～10mg/mL，氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液浓度为0.1～10mg/mL；机械搅拌的方法时机械搅拌的时间为1～120min；
(2)取10～100mL黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料；所述高压反应釜的容积为25～200mL，溶剂热反应时反应温度稳定在100～200℃范围内；
(3)将充满乙醇的块状胶体复合材料从高压反应釜中取出后，完全浸入去离子水中1～48h，使得块状胶体复合材料内部的乙醇和水相互交换，最终形成充满水的块状胶体复合材料；
(4)将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥6～48h，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；
(5)最后将黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料在氩气或氮气保护下进行高温热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量；高温热处理时温度在450～1200℃范围内。
有益效果：本发明提供的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，利用机械搅拌的方法将黑磷烯量子点复合到氧化石墨烯表面，并加以后续的溶剂热反应和冷冻干燥步骤，可实现黑磷烯量子点修饰的氧化石墨烯的溶剂热还原和三维成型。目前没有任何文献和专利报道过黑磷烯量子点和石墨烯的三维多孔复合材料，因此本发明的制备方法填补了这一空白，在有毒有害物质检测、微电子传感器件领域具有极大的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法中采用机械搅拌的方法将黑磷烯量子点复合到氧化石墨烯纳米片表面的透射电子显微镜照片；
图2为采用本发明方法制备的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
(1)首先将剪切粉碎法制备的0.001mg/mL的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到1mg/mL的氧化石墨烯的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯的表面，搅拌时间为1min。
(2)然后取10mL的黑磷烯量子点和氧化石墨烯乙醇溶液倒入容积为25mL的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在100℃条件下进行溶剂热反应。反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料。
(3)将此块状胶体从反应釜中取出后，浸入去离子水中1h，使得块状胶体材料内部的乙醇和水相互交换。将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥6h，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；
(4)最后将此三维复合材料在氩气保护和600℃条件下进行热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量。
实施例2
(1)首先将剪切粉碎法制备的0.01mg/mL的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到3mg/mL的氧化石墨烯的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯的表面，搅拌时间为30min。
(2)然后取50mL的黑磷烯量子点和氧化石墨烯乙醇溶液倒入容积为100mL的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在150℃条件下进行溶剂热反应。反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料。
(3)将此块状胶体从反应釜中取出后，浸入去离子水中12h，使得块状胶体材料内部的乙醇和水相互交换。将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥36h，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；
(4)最后将此三维复合材料在氩气保护和450℃条件下进行热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量。
图1为本实施例中采用机械搅拌的方法将黑磷烯量子点复合到氧化石墨烯纳米片表面的透射电子显微镜照片，1是黑磷烯量子点，2是氧化石墨烯纳米片。此表征表明，尺寸为5nm左右的黑磷烯量子点已经复合到氧化石墨烯纳米片的表面，这是黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料成功制备的先决条件。
图2本发明方法制备的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的扫描电子显微镜照片。可以看到，三维复合材料由石墨烯片状结构构建而成，呈现多孔结构形貌。
实施例3
(1)首先将剪切粉碎法制备的0.01mg/mL的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到5mg/mL的氧化石墨烯的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯的表面，搅拌时间为60min。
(2)然后取80mL的黑磷烯量子点和氧化石墨烯乙醇溶液倒入容积为150mL的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在180℃条件下进行溶剂热反应。反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料。
(3)将此块状胶体从反应釜中取出后，浸入去离子水中48h，使得块状胶体材料内部的乙醇和水相互交换。将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥48h，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；
(4)最后将此三维复合材料在氩气保护和1000℃条件下进行热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，其特征在于：首先将剪切粉碎法制备的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到含有氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯纳米片的表面，形成黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液；然后将黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料；将充满乙醇的块状胶体复合材料从高压反应釜中取出后，完全浸入去离子水中，使得块状胶体复合材料内部的乙醇和水相互交换，最终形成充满水的块状胶体复合材料；将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；最后将黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料在氩气或氮气保护下进行高温热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量；包括如下步骤：
(1)首先将剪切粉碎法制备的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到含有氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯纳米片的表面，形成黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液；所述黑磷烯量子点乙醇溶液的浓度为0.001～10mg/mL，氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液浓度为0.1～10mg/mL；机械搅拌的方法时机械搅拌的时间为1～120min；
(2)取10～100mL黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料；所述高压反应釜的容积为25～200mL，溶剂热反应时反应温度稳定在100～200℃范围内；
(3)将充满乙醇的块状胶体复合材料从高压反应釜中取出后，完全浸入去离子水中1～48h，使得块状胶体复合材料内部的乙醇和水相互交换，最终形成充满水的块状胶体复合材料；
(4)将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥6～48h，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；
(5)最后将黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料在氩气或氮气保护下进行高温热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量；高温热处理时温度在450～1200℃范围内。
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