CN108483416A - 一种硼化物修饰的黑磷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硼化物修饰的黑磷及其制备方法。一种硼化物修饰的黑磷技术方案为：将黑磷在无水无氧的条件下，超声分散在N‑甲基吡咯烷酮和表面活性剂的混合液中，然后离心分散得到黑磷的分散液，往分散液中加入硼化物前驱体，然后经过复合和脱水反应，制备硼化物包裹的黑磷材料。制备过程简便，采用的原材料成本较低，而且硼化物致密均匀地包覆在黑磷表面，能够有效改善黑磷材料的分散性，以及阻止黑磷与氧气和水分发生的反应，提高了黑磷的稳定性和电化学性能。
Description
技术领域
本发明涉及黑磷及其制备方法，尤其涉及一种经硼化物修饰的黑磷及其制备方法。
背景技术
二维材料是近年来的研究热点，典型代表包括石墨烯和半导体性质的过渡金属二硫化物等。从2014年开始，出现了一种新型的二维材料-黑磷，其拥有可变的隙能和良好的载流子迁移率。和石墨烯一样，黑磷可以剥离成单原子层薄片，这种单层的黑磷又称为黑磷烯。黑磷在机械、电子、光学、热学、声学等方面有着独特的性质和优异的性能。作为一种直接带隙半导体材料，黑磷可在半导体工业中取代硅，可用于薄膜晶体管的制备、电池的负极材料、柔性显示材料、LED、光开关、光动力治疗试剂、光热治疗试剂、生物传感器等。
黑磷具有类似石墨的片状结构，但不同的是，同一层内的磷原子不在同一平面内，呈一种蜂窝状褶皱结构。层内具有较强的共价键，还留着单个的电子对，因此每个原子都是饱和的，层与层之间原子靠范德华力作用，层间键合比层内的键合弱，具有良好的导电性。
尽管具有优异的性能，但黑磷，特别是黑磷烯有一个致命缺陷：在空气中不稳定，暴露在空气中容易被氧气缓慢氧化，生成磷的氧化物和磷酸，导致黑磷二维结构的解体，并进而影响其功能。目前黑磷被氧化的机理已经得以阐明。：磷原子易与氧气进行反应生成磷的氧化物，磷的氧化物进而和空气中的水分进行反应生成磷酸。整个过程会对黑磷的结构造成破坏，使其丧失在点穴、光学等方面的性能。因此，如何解决黑磷易被氧化的问题，维持其结构和性能的稳定，成为影响黑磷发展的关键问题。
为了解决黑磷的稳定性问题，研究者们通过不同的方法在黑磷的表面覆盖上不同的物质，以隔绝氧气和水分，减少磷原子和氧气水分的接触机会。目前通过在黑磷表面引入金属离子或者引入一些化学反应修饰的黑磷的方法已经有报道，但是目前使用的在黑磷上引入化学基团破坏了黑磷的结构，使其性能有所下降，而采用金属覆盖的方法，原材料成本较高，而且致密度较差，导致黑磷部分会被氧化，从而影响其性能。
发明内容
针对目前技术所存在的问题，本发明提出了一种硼化物修饰的二维黑磷材料以及制备方法。本发明具有原料成本较低，制备工艺快捷简便，制造过程安全性较高，而且制备的硼化物修饰的黑磷致密性较好，能够很好的包裹黑磷，避免氧气和水对黑磷的反应，提高黑磷的性能。
本发明提出一种硼化物修饰的黑磷，其制备方案为：
1）将块状黑磷材料通过研磨，然后加入到N-甲基吡咯烷酮和表面活性剂的反应器中，超声剥离，然后进行差速离心，取上层液体为分散后的黑磷材料的分散液；
2）向上述的黑磷的分散液中加入硼化物前驱体，然后高速搅拌，硼化物前驱体在黑磷表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，用尼龙膜过滤，然后用N-甲基吡咯烷酮进行洗涤，得到混合粉末，然后混合粉末在150-250℃进行脱水分解，得到硼化物包覆的黑磷材料。
步骤1中的N-甲基吡咯烷酮为无水无氧溶剂。
步骤1中在黑磷加入之前，需要对反应器用氮气进行置换，在超声过程中，保持反应器体系内为氮气氛围。
步骤1中超声的功率在1500-2500W,超声时间为12-24小时，离心转速在10000-15000转/min,离心时间为1-3min。
步骤1中的表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯环酸钠、十二烷基磺酸钠、 脂肪酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠中至少一种。
步骤1中黑磷分散液体浓度为0.1-1mg/ml。
步骤2中所述的硼化物前驱体为硼酸三丁酯、氟硼酸钠、硼酸、氟硼酸、硼酸三乙酯、硼酸三甲酯中的至少一种。
步骤2中所述的硼化物包覆的黑磷粉末中硼化物含量在1-5wt%。
本发明所采用的原理：硼化物中硼为缺电子结构，而黑磷中磷原子上有孤对电子，硼化物很容易和黑磷通过电子共轭效应而作用在一起，形成分子间作用力，从而将硼化物覆盖于黑磷上，而且通过过量硼化物的量，能够在黑磷表面形成致密的包裹层，能够防止黑磷被空气中氧气和水分发生反应，能够显著提高黑磷的稳定性和电化学性能等。
本发明的有益效果在于：本发明采用硼化物前驱体对超声分散后的二维黑磷进行包覆改性，硼化物致密均匀地包覆在黑磷表面，能够有效改善黑磷材料的分散性，以及阻止黑磷与氧气和水分发生的反应，提高了黑磷的稳定性和电化学性能，除此之外，所发明所采用的制备工艺快捷简便，成本较低，可有望进行大规模生产。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合具体的实施案例来阐释本发明。
实施例1
1）将块状1g黑磷材料通过研磨，然后加入到含有0.5g十二烷基硫酸钠和100ml无水无氧的N-甲基吡咯烷酮的氮气氛围的反应器中，用1800w超声剥离24小时，然后采用10000转/min进行离心，离心2分钟后，取上层液体为分散后的黑磷材料的分散液，称取分散液，采用称重法得到分散液浓度为0.5 mg/ml；
2）向上述的黑磷的分散液中加入10g的硼酸三丁酯，然后高速搅拌，硼化物前驱体在黑磷表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，用尼龙膜过滤，然后用N-甲基吡咯烷酮进行洗涤，得到混合粉末，然后混合粉末在150-250℃进行脱水分解，得到硼化物包覆的黑磷材料，通过元素分析，硼化物的质量分数在2%左右。
实施例2
1）将块状1g黑磷材料通过研磨，然后加入到含有含有0.5g十二烷基磺酸钠和100ml无水无氧的N-甲基吡咯烷酮的氮气氛围的反应器中，用2200w超声剥离24小时，然后采用10000转/min进行离心，离心2分钟后，取上层液体为分散后的黑磷材料的分散液，称取分散液，采用称重法得到分散液浓度为0.7mg/ml；
2）向上述的黑磷的分散液中加入15g的硼酸，然后高速搅拌，硼化物前驱体在黑磷表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，用尼龙膜过滤，然后用N-甲基吡咯烷酮进行洗涤，得到混合粉末，然后混合粉末在150-250℃进行脱水分解，得到硼化物包覆的黑磷材料，通过元素分析，硼化物的质量分数在4%左右。
实施例3
1）将块状1g黑磷材料通过研磨，然后加入到含有0.5g十二烷基磺酸钠和100ml无水无氧的N-甲基吡咯烷酮的氮气氛围的反应器中，用2500w超声剥离24小时，然后采用15000转/min进行离心，离心2分钟后，取上层液体为分散后的黑磷材料的分散液，称取分散液，采用称重法得到分散液浓度为0.4mg/m；。
2）向上述的黑磷的分散液中加入20g的氟硼酸钠，然后高速搅拌，硼化物前驱体在黑磷表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，用尼龙膜过滤，然后用N-甲基吡咯烷酮进行洗涤，得到混合粉末，然后混合粉末在150-250℃进行脱水分解，得到硼化物和氟化物包覆的黑磷材料，通过元素分析，硼化物和氟化物的质量分数在5%左右。
实施例4
1）将块状1g黑磷材料通过研磨，然后加入到含有0.5g聚山梨醇酯和100ml无水无氧的N-甲基吡咯烷酮的氮气氛围的反应器中，用2000w超声剥离24小时，然后采用12000转/min进行离心，离心3分钟后，取上层液体为分散后的黑磷材料的分散液，称取分散液，采用称重法得到分散液浓度为0.3mg/ml；
2）向上述的黑磷的分散液中加入15g的氟硼酸，然后高速搅拌，硼化物前驱体在黑磷表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，用尼龙膜过滤，然后用N-甲基吡咯烷酮进行洗涤，得到混合粉末，然后混合粉末在150-250℃进行脱水分解，得到硼化物包覆的黑磷材料，通过元素分析，硼化物的质量分数在3%左右。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限在此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本方的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其技术方案为：
1）将块状黑磷材料通过研磨，然后加入到N-甲基吡咯烷酮和表面活性剂的反应器中，超声剥离，然后进行差速离心，取上层液体为分散后的黑磷材料的分散液；
2）向上述的黑磷的分散液中加入硼化物前驱体，然后高速搅拌，硼化物前驱体在黑磷表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，用尼龙膜过滤，然后用N-甲基吡咯烷酮进行洗涤，得到混合粉末，然后混合粉末在150-250℃进行脱水分解，得到硼化物包覆的黑磷材料。
2.根据权利要求1所述的硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其显著特征是，步骤1中的N-甲基吡咯烷酮为无水无氧溶剂。
3.根据权利要求1所述的硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其显著特征是，步骤1中在黑磷加入之前，需要对反应器用氮气进行置换，在超声过程中，保持反应器体系内为氮气氛围。
4.根据权利要求1所述的硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其显著特征是，步骤1中超声的功率在1500-2500W,超声时间为12-24小时，离心转速在10000-15000转/min,离心时间为1-3min。
5.根据权利要求1所述的硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其显著特征是，步骤1中的表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯环酸钠、十二烷基磺酸钠、 脂肪酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠中至少一种。
6.根据权利要求1所述的硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其显著特征是，步骤1中黑磷分散液体浓度为0.1-1mg/ml。
7.根据权利要求1所述的硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其显著特征是，步骤2中所述的硼化物前驱体为硼酸三丁酯、氟硼酸钠、硼酸、氟硼酸、硼酸三乙酯、硼酸三甲酯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的硼化物修饰的黑磷及其制备方法，其显著特征是，步骤2中所述的硼化物包覆的黑磷粉末中硼化物含量在1-5wt%。
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