CN106365135B - 一种高产率黑磷量子点的制备方法及其应用 - Google Patents

一种高产率黑磷量子点的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种黑磷量子点的制备方法及其应用，首先采用液相剥离法将块状黑磷晶体超声1～3h。超声完成后静止1～2h，然后取上层液体离心分离，转速为1500rpm～2000rpm，时间为20min～40min。并分散在N‑甲基吡咯烷酮溶剂中，然后静置并离心分离，取上清液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应；反应结束后便得到了尺寸均一的黑磷量子点分散液。本发明方法制备的材料在光电子、电子传感器、半导体等领域具有潜在的应用。

Description

一种高产率黑磷量子点的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种黑磷量子点的制备方法及其应用，该方法利用有机溶剂分子在黑磷晶体上发生的插层反应形成量子点分散液，属于纳米材料制备技术领域。
背景技术
黑磷是一种类似于石墨的层状结构晶体，层与层之间通过范德华力结合。与石墨不同的是，黑磷的同一层的磷原子不在同一平面，沿着b轴呈褶皱的层状排列，并且是一种直接带隙半导体材料。其具有许多优异的性能，如较高的载流子迁移率（200～1000 cm2 V～1S～1）、明显的各向异性、以及可由层数调控带隙宽度（0.3～2 eV），被认为是最具有潜力应用于光学和半导体领域的二维材料。
尽管最近有许多报道成功剥离黑磷得到少层黑磷烯，并且广泛应用于光电子器件、场效应晶体管、气体传感器等领域。但是，还是缺少稳定可靠的方法制备出尺寸更小的黑磷量子点，限制其更广泛的应用。目前有文献报道超声剥离法（见文献 Zhang X, Prof.Haiming Xie , Zhengdong Liu, et al. Black Phosphorus Quantum Dots [J].Angewandte Chemie, 2015, 127(12):3724–3728.），以及溶剂热法制备制备黑磷量子点（见文献Xu Y, Wang Z, Guo Z, et al. Solvothermal Synthesis and UltrafastPhotonics of Black Phosphorus Quantum Dots[J]. Advanced Optical Materials,2016.），但两种方法都耗时耗能，且操作繁琐，产率不高。 因此，急需一种合理高效的制备方法，制备出尺寸小且均一的黑磷量子点，拓宽其在光电器件、半导体等领域的潜在应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的存在的不足，本发明提供了简单高效的黑磷量子点的制备方法，利用有机溶剂分子在黑磷晶体上发生插层反应导致黑磷量子点脱落，并利用反应釜进行高温高压的溶剂热反应，可以实现黑磷量子点的尺寸均一、简单高效制备、低成本、产率高达100%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：
一种黑磷量子点的溶剂热制备方法，采用溶剂分子插层的方法在有机溶剂中分解黑磷得到黑磷量子点。具体实现方法为：首先在手套箱中充分研磨黑磷晶体，分散于有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中；然后超声破碎黑磷晶体。离心分离取上清液于反应釜中，进行溶剂热反应，得到黑磷量子点分散液。
该方法具体包括如下步骤：
（1）在无水无氧的手套箱中（水、氧＜0.1 ppm）称取10～50 mg的黑磷晶体，研磨30min～60min至充分后，分散到20～100ml的N-甲基吡咯烷酮，密封取出；
（2）采用液相剥离法，将上述分散液放入探针式超声仪中进行超声分散，功率600W～900W，超声时间1～3h，超声完成后静止1～2h，取上层液体离心分离；
（3）取离心分离后的上清液并转移到50ml的反应釜中，放入高温炉中，进行溶剂热反应，反应温度为120℃～140℃，时间为6～10h，即制备得到黑磷量子点。
优选地，本发明除了超声和离心分离外其他操作均是在无氧无水条件下进行，优选在手套箱中操作。
优选地，所述所述的探针式超声是在冰浴条件下完成的，即在超声过程中，将装有黑磷分散液的容器置于装有冰块的玻璃培养皿中。
优选地，所述探针式超声的功率为600～650W。
优选地，所述离心的转速为1500rpm～2000rpm，分离时间为20min～40min。
有益效果：本发明提供的黑磷量子点的制备方法，利用超声破碎预处理黑磷晶体，并加以后续反应釜提供的高温高压条件，利用有机溶剂分子插层反应，实现黑磷量子点的简单高效，高产率的制备。目前没有任何的文献和专利报道过此方法。因此本发明的制备方法填补了这一空白，在黑磷量子点的制备方法中具有广泛的的应用性。
附图说明
图1为本发明方法中采用的溶剂热法制备的黑磷量子点的数码照片。
图2为发明方法中采用的溶剂热法制备的黑磷量子点的透射电子显微镜（TEM）照片。
图3发明方法中采用的溶剂热法制备的黑磷量子点的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）照片。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方案对本发明作进一步说明。
实例1
（1）在无水无氧的手套箱中（水、氧＜0.1 ppm）称取30 mg的黑磷晶体，研磨30min后，分散到35ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封取出。
（2）采用液相剥离法，将上述分散液放入探针式超声仪（600W）中超声分散2h，整个超声过程都是在冰浴条件下完成。超声完成后静止2h，取上层液体离心分离（2000rpm，30min）。
（3）取上清液并转移到50ml的反应釜中，放入高温炉中，进行溶剂热反应（140℃，8h）。即得到尺寸均一直径几纳米的黑磷量子点。
将实例1所得的产物进行表征，结果如1～3图所示。其中，图1为本实施方案制备的黑磷量子点制备的数码照片。图2为黑磷量子点的TEM像，图3为黑磷量子点的HRTEM像。
实例2
（1）在无水无氧的手套箱中（水、氧＜0.1 ppm）称取10mg的黑磷晶体，研磨40min后，分散到20ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封取出。
（2）采用液相剥离法，将上述分散液放入探针式超声仪（650W）中超声分散1h，整个超声过程都是在冰浴条件下完成。超声完成后静止1h，取上层液体离心分离（1500rpm，20min）。
（3）取上清液并转移到50ml的反应釜中，放入高温炉中，进行溶剂热反应（120℃，6h）。即得到尺寸均一直径几纳米的黑磷量子点。
实例3
（1）在无水无氧的手套箱中（水、氧＜0.1 ppm）称取50 mg的黑磷晶体，研磨60min后，分散到100ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封取出。
（2）采用液相剥离法，将上述分散液放入高探针式超声仪（900W）超声分散3h，整个超声过程都是在冰浴条件下完成。超声完成后静止2h，取上层液体离心分离（1800rpm，40min）。
（3）取上清液并转移到50ml的反应釜中，放入高温炉中，进行溶剂热反应（130℃，10h）。即得到尺寸均一直径几纳米的黑磷量子点。
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，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出适当改进，这些改进也应视为本分发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高产率黑磷量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在手套箱中称取10～50 mg的黑磷晶体，研磨30min～60min，分散到20～100ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封取出；
（2）采用液相剥离法，将（1）中分散液放入高功率超声仪中进行探针超声分散，功率600W～900W，超声时间1～3h，超声完成后静止1～2h，取上层液体离心分离；
（3）取（2）中离心后的上清液转移到50ml的反应釜中，放入高温炉中，进行溶剂热反应，得到黑磷量子点；
所述离心的转速为1500rpm～2000rpm，分离时间为20min～40min；
所述溶剂热反应的温度为120℃～140℃，时间为6～10h。
2.根据权利要求1所述的黑磷量子点的制备方法，其特征在于，手套箱中氧和水的含量均＜0.1 ppm。
3.根据权利要求1所述的黑磷量子点的制备方法，其特征在于，所述探针式超声的功率为600～650W。
4.根据权利要求1所述的黑磷量子点的制备方法，其特征在于，所述N-甲基吡咯烷酮溶剂为无水N-甲基吡咯烷酮。
5.如权利要求1-4任一所述制备方法制得的黑磷量子点。
6.如权利要求5所述的黑磷量子点在光电子、电子传感器、半导体领域中的应用。
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