CN108237229A - 一种层数可调的二维锑烯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种层数可调的二维锑烯及其制备方法，方法包括步骤：将金属锑晶体放入研钵中，随后加入醇并沿同一个方向进行研磨至数小时；随后将研磨后的混合物倒入超声杯中，并使用探头超声仪进行超声数小时；超声后经离心分离得到锑烯。本发明通过先研磨后超声剥离的方法制备锑烯，研磨过程能够产生沿层面方向的剪切力而使块状的金属锑形成锑薄片，并在随后的超声过程中剥离成单一层厚的光滑锑烯，避免长时间超声破坏其原子层厚的结构；另外通过简单的控制离心区间可以将不同层数的锑烯进行有效的分离，实现大尺寸二维锑烯的层数可调制备方法；此外制备得到的二维锑烯材料厚度均一且表面光滑。

Description

一种层数可调的二维锑烯及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米技术领域，尤其涉及一种层数可调的二维锑烯及其制备方法。
背景技术
自从2004年石墨烯被英国科学家Geim等人制备出来以后，二维材料引起了科学家们的研究热潮。人们对于石墨烯的制备方法进行了研究，石墨烯本身具有一些独特的物理性能，例如量子霍尔效应、量子隧穿效应等。石墨烯这些优异的性能，引起了国内外研究学者的广泛关注。近些年，在石墨烯的制备、功能化以及应用上都取得了较大的成果。迄今为止，石墨烯已经广泛应用于超级电容器、生物传感器、燃料电池、薄膜材料、液晶材料等方面。然而，由于石墨烯作为带宽为0 eV的半金属，限制了其在半导体器件和光电子领域更广泛的应用。因此，“后石墨烯”二维材料的研究已经成为一个非常热门和有意义的课题。黑磷，作为一种“后石墨烯”的二维材料，自2014年初被发现以来，基于其带宽范围在0.3 eV~2eV之间可调，近些年受到广泛关注。到目前为止，黑磷已经被用于包括晶体管、光电、传感器、生物医学治疗和能量转换，如析氧反应、水分解催化剂、太阳能电池、锂离子电池等各个方面。遗憾的是，黑磷对周围环境极为敏感，特别是在水和氧的作用下会受到严重的降解，限制了它在更多领域的广泛应用。
考虑到带宽和稳定性等因素，锑作为周期表中的VA族元素，可以成为一个最合适的替代者，并表现出与黑磷相类似的性质。同时，锑烯（antimonene），作为一个刚刚迅速崛起的明星材料，已从理论上预测出优异的电子和光学性质、增强的稳定性和可调的带宽范围（0~2.28 eV）。然而，对锑烯实际应用非常有限。这些问题主要是由于缺乏有效的制备高质量的锑烯的方法。到目前为止，只有少数文章被报道成功获得锑烯，包括外延生长法、胶带剥离法、搅拌机剥离法以及液相剥离法。然而以上方法具有产量低、耗费时间长以及锑烯厚度不均一等缺点。因此，制备出高产量且均匀厚度的锑烯仍然面临着挑战。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种层数可调的二维锑烯及其制备方法，旨在解决现有方法具有产量低、耗费时间长以及锑烯厚度不均一等问题。
本发明的技术方案如下：
一种层数可调的二维锑烯的制备方法，其中，包括如下步骤：
A、将金属锑晶体放入研钵中，随后加入醇并沿同一个方向进行研磨至数小时；
B、随后将研磨后的混合物倒入超声杯中，并使用探头超声仪进行超声数小时；
C、超声后经离心分离得到锑烯。
所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其中，步骤A中，所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、仲丁醇、丙三醇、叔丁醇中的一种或者几种。
所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其中，步骤A中，所述研磨的时间为0.1~20小时。
所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其中，步骤B中，所述超声的时间为0.1~20小时。
所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其中，步骤C中，所述离心分离所采用的离心转速为1000~20000转/分钟中的特定区间范围。例如，所述离心分离所采用的离心转速可以为1000~2000转/分钟、2000~5000转/分钟、5000~9000转/分钟、9000~15000转/分钟或15000~20000转/分钟。
一种层数可调的二维锑烯，其中，采用本发明所述的方法制备得到。
所述的层数可调的二维锑烯，其中，所述锑烯可调的层数为1~100层。
所述的层数可调的二维锑烯，其中，所述锑烯的厚度为0.3-20nm。
有益效果：本发明通过一种先研磨后超声剥离的方法制备层数可调的二维锑烯，其中，研磨过程能够产生沿层面方向的剪切力而使块状的金属锑形成锑薄片，并在随后的超声过程中剥离成单一层厚的光滑锑烯材料；超声后的产物经离心分离，通过调整不同的离心转速区间可以获得不同层数的锑烯，通常提高离心速度可以获得层数较少的锑烯；该方法得到的锑烯表面光滑、厚度均一、层数可调，作为一种最新型的二维材料，在光电子学和光催化领域具有重要的应用前景。
具体实施方式
本发明提供一种层数可调的二维锑烯及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种层数可调的二维锑烯的制备方法，其中，包括如下步骤：
A、将金属锑晶体放入研钵中，随后加入醇并沿同一个方向进行研磨至数小时；
B、随后将研磨后的混合物倒入超声杯中，并使用探头超声仪进行超声数小时；
C、超声后经离心分离得到锑烯。
本发明通过一种先研磨后超声剥离的方法制备层数可调的二维锑烯，其中，研磨过程能够产生沿层面方向的剪切力而使块状的金属锑形成锑薄片，并在随后的超声过程中剥离成单一层厚的光滑锑烯材料；超声后的产物经离心分离，通过调整不同的离心转速区间可以获得不同层数的锑烯，通常提高离心速度可以获得层数较少的锑烯；该方法得到的锑烯表面光滑、厚度均一、层数可调，作为一种最新型的二维材料，在光电子学和光催化领域具有重要的应用前景。
优选的，步骤A中，所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、仲丁醇、丙三醇、叔丁醇等中的一种或者几种。
优选的，步骤A中，所述研磨的时间为0.1~20小时。
优选的，步骤B中，所述超声的时间为0.1~20小时。超声时间过长会破坏锑烯原子层厚的结构。
优选的，步骤C中，所述离心分离所采用的离心转速为1000~20000转/分钟中的特定区间范围。本发明通过简单的控制离心转速区间可以将不同层数的锑烯进行有效的分离，实现大尺寸二维锑烯的层数可调制备方法。也可以说，本发明通过简单的控制离心转速区间可以获得不同厚度的锑烯，通常提高离心速度可以获得较薄的锑烯，降低离心速度可以获得较厚的锑烯。例如，所述离心分离所采用的离心转速为1000~2000转/分钟时，获得的锑烯材料的厚度为10~20nm；所述离心分离所采用的离心转速为2000~5000转/分钟时，获得的锑烯材料的厚度为5~8nm；所述离心分离所采用的离心转速为5000~9000转/分钟时，获得的锑烯材料的厚度为3~5nm；所述离心分离所采用的离心转速为9000~15000转/分钟时，获得的锑烯材料的厚度为1.5~3nm；所述离心分离所采用的离心转速为15000~20000转/分钟时，获得的锑烯材料的厚度为0.3~1.5nm。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
（1）本发明是通过先研磨后超声剥离的方法制备锑烯，其中，研磨过程能够产生沿层面方向的剪切力而使块状的金属锑形成锑薄片，并在随后的超声过程中剥离成单一层厚的光滑锑烯，避免长时间超声破坏其原子层厚的结构；
（2）通过简单的控制离心区间可以将不同层数的锑烯进行有效的分离，实现大尺寸二维锑烯的层数可调制备方法；
（3）得到的二维锑烯材料厚度均一且表面光滑，为更好的研究特定层数的锑烯独特的光电子性质及其光电器件应用奠定了基础。
本发明还提供一种层数可调的二维锑烯，其中，采用本发明所述的方法制备得到。所述锑烯可调的层数为1~100层，所述锑烯的厚度为0.3-20nm。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
（1）将0.5g锑晶体放入研钵中，加入少量的乙醇溶液后沿顺时针均匀研磨2小时，直到将块状晶体充分研磨成均匀的锑片；
（2）将产物取出并分散到50mL的超声瓶中，使用探头超声仪对其进行超声剥离5小时；
（3）随后将超声产物在3000rpm转速下进行超声分离，得到的样品重新分散到乙醇中；
（4）通过AFM技术确认获得的锑烯材料的厚度为6nm。
实施例2
（1）将1g锑晶体放入研钵中，加入少量的叔丁醇溶液后沿顺时针均匀研磨3小时，直到将块状晶体充分研磨成均匀的锑片；
（2）将产物取出并分散到50mL的超声瓶中，使用探头超声仪对其进行超声剥离6小时；
（3）随后将超声产物在7000rpm转速下进行超声分离，得到的样品重新分散到叔丁醇中；
（4）通过AFM技术确认获得的锑烯材料的厚度为4nm。
实施例3
（1）将0.8g锑晶体放入研钵中，加入少量的丙三醇溶液后沿顺时针均匀研磨1小时，直到将块状晶体充分研磨成均匀的锑片；
（2）将产物取出并分散到50mL的超声瓶中，使用探头超声仪对其进行超声剥离5小时；
（3）随后将超声产物在2000rpm转速下进行超声分离，得到的样品重新分散到丙三醇中；
（4）通过AFM技术确认获得的锑烯材料的厚度为15nm。
实施例4
（1）将0.5g锑晶体放入研钵中，加入少量的正丁醇溶液后沿顺时针均匀研磨2.5小时，直到将块状晶体充分研磨成均匀的锑片；
（2）将产物取出并分散到50mL的超声瓶中，使用探头超声仪对其进行超声剥离6小时；
（3）随后将超声产物在12000rpm转速下进行超声分离，得到的样品重新分散到正丁醇中；
（4）通过AFM技术确认获得的锑烯材料的厚度为2nm。
实施例5
（1）将2g锑晶体放入研钵中，加入少量的丙三醇溶液后沿顺时针均匀研磨3小时，直到将块状晶体充分研磨成均匀的锑片；
（2）将产物取出并分散到50mL的超声瓶中，使用探头超声仪对其进行超声剥离5小时；
（3）随后将超声产物在18000rpm转速下进行超声分离，得到的样品重新分散到丙三醇中；
（4）通过AFM技术确认获得的锑烯材料的厚度为1.0nm。
综上所述，本发明提供的一种层数可调的二维锑烯及其制备方法，通过先研磨后超声剥离的方法制备锑烯，其中，研磨过程能够产生沿层面方向的剪切力而使块状的金属锑形成锑薄片，并在随后的超声过程中剥离成单一层厚的光滑锑烯，避免长时间超声破坏其原子层厚的结构；通过简单的控制离心区间可以将不同层数的锑烯进行有效的分离，实现大尺寸二维锑烯的层数可调制备方法；得到的二维锑烯材料厚度均一且表面光滑，为更好的研究特定层数的锑烯独特的光电子性质及其光电器件应用奠定了基础。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种层数可调的二维锑烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将金属锑晶体放入研钵中，随后加入醇并沿同一个方向进行研磨至数小时；
B、随后将研磨后的混合物倒入超声杯中，并使用探头超声仪进行超声数小时；
C、超声后经离心分离得到锑烯。
2.根据权利要求1所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、仲丁醇、丙三醇、叔丁醇中的一种或者几种。
3.根据权利要求1所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述研磨的时间为0.1~20小时。
4.根据权利要求1所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述超声的时间为0.1~20小时。
5.根据权利要求1所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述离心分离所采用的离心转速为1000~20000转/分钟。
6.根据权利要求5所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其特征在于，所述离心分离所采用的离心转速为2000~5000转/分钟。
7.根据权利要求5所述的层数可调的二维锑烯的制备方法，其特征在于，所述离心分离所采用的离心转速为9000~15000转/分钟。
8.一种层数可调的二维锑烯，其特征在于，采用如权利要求1~7任一项所述的方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的层数可调的二维锑烯，其特征在于，所述锑烯可调的层数为1~100层。
10.根据权利要求8所述的层数可调的二维锑烯，其特征在于，所述锑烯的厚度为0.3-20nm。
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