CN111607845A - 一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维及其制备方法和应用 - Google Patents
一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，包括如下步骤：制备碲烯与氧化石墨烯的混合物、制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液以及纺丝。本发明具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法通过氧化石墨烯辅助分散及辅助纺丝的作用，实现氧化石墨烯与碲烯的均匀混合及整个体系的稳定分散，并能有效的防止剥离开的碲烯重新堆叠在一起而发生沉降，实现了高浓度碲烯的稳定分散及高碲烯比例的碲烯/氧化石墨烯的连续纺丝。本发明还提供了一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维及其应用。
Description
技术领域
本发明涉及纳米半导体材料技术领域，具体涉及一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维，本发明还涉及到该具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法和应用。
背景技术
光电探测器的工作原理是基于光电效应，光电探测器能把光信号转换为电信号。其在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。现有光电探测器的电极通常为金、银等贵金属，或弯曲性能较差的ITO电极。这些材料制得的光电探测器通常成本极高或器件为刚性的，不适用于当前的可弯曲的柔性电子器件的要求。因此，开发柔性光电探测器成为当下研究的热点，也是可穿戴电子器件开发的难点，其中半导体柔性纤维就是柔性光电探测器的一种。
麻武军等人报道过一种杂化纤维的制备方法，麻武军所报道的方法典型步骤如下：将氧化石墨烯(GO)粉末与炭黑(CB)按一定比例分散在去离子水中，得到固含量为10mg/ml的分散液。然后将分散液超声2h，然后在60℃下蒸发浓缩至40mg/ml，得到浓缩分散液。以浓缩分散液为纺丝原液，以乙酸为凝固浴，进行湿法纺丝，得到GO/CB杂化纤维。将GO/CB杂化纤维在60℃下真空干燥24h后，将干燥的纤维在HI中100℃下还原1h，然后用乙醇洗涤3遍。最后再在60℃下真空干燥。但是，杂化体系的纺丝液仅是靠简单的共混实现，因此在添加物及添加物含量上受很大限制。另外，制备的杂化纤维稳定性能差，光电效应不显著。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，本发明还提供了一种采用上述具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法制得的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维以及上述具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维在柔性光电探测器上的应用。本发明提供的一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法能够有效解决现有技术中碲烯与石墨烯分散不均、碲烯与石墨烯配比难以调控、可纺性差、添加物以及添加物的含量选择上具有相对较大的灵活度等问题，制备出的碲烯/石墨烯杂化纤维柔性、直径等容易控制，物理性能优越，光电效应显著，能够广泛应用于柔性光电探测器。
第一方面，本发明提供了一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，包括如下步骤：
制备碲烯与氧化石墨烯的混合物：提供碲烯预剥离分散液，向碲烯预剥离分散液中添加氧化石墨烯并进行恒温水浴超声，离心、收集底层混合物，再将底层混合物分散于水中，洗涤、浓缩、干燥，制得碲烯与氧化石墨烯的混合物；
制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液：向碲烯与氧化石墨烯的混合物中加水搅拌后得到混合液，使用脉冲式尖端超声的方式对混合液进行超声，超声结束后对混合液进行浓缩，制得碲烯/氧化石墨烯混合分散液；
纺丝：以碲烯/氧化石墨烯混合分散液作为纺丝原液，以冰醋酸作为凝固浴，进行纺丝、干燥、还原，得到碲烯/氧化石墨烯杂化纤维。
本发明具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法通过氧化石墨烯辅助分散及辅助纺丝的作用，解决了碲烯容易发生相互的堆叠、水中分散性不佳、以及碲烯分散液本身不具备可纺性等缺陷。通过在碲烯剥离过程中加入氧化石墨烯，这可以实现氧化石墨烯与碲烯的均匀混合及整个体系的稳定分散，并能有效的防止剥离开的碲烯重新堆叠在一起而发生沉降，实现了高浓度碲烯的稳定分散及高碲烯比例的碲烯/氧化石墨烯的连续纺丝。
在本发明一具体实施例中，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述碲烯预剥离分散液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。N-甲基吡咯烷酮溶剂分散碲烯，一者便于氧化石墨烯与碲烯均匀稳定分散，二者有利于后续的超声分散过程，提升超声分散的效率，三者防止碲烯在长时间超声过程中被氧化。
优选的，所述每500mlN -甲基吡咯烷酮中可添加质量小于3g的碲粉。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述碲烯预剥离分散液采用如下方法制备：提供碲粉并添加到N-甲基吡咯烷酮中，对碲粉的N-甲基吡咯烷酮溶液进行恒温水浴超声24～120h，所述恒温水浴超声的温度为小于等于10℃；
超声结束后对混合溶液进行离心，收集上清液，即为碲烯预剥离分散液。
更优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，对碲粉的N-甲基吡咯烷酮溶液进行恒温水浴超声72h，所述恒温水浴超声的温度为10℃。
更优选的，超声结束后对混合溶液进行离心，离心转速为5000rpm，离心时间为60min。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述碲烯与氧化石墨烯的质量之比为0.1～15:10。更优选的，所述碲烯与氧化石墨烯的质量之比为1:1。该比例的范围的碲烯/石墨烯杂化纤维具有更优的物理性能和更好的光电响应。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述恒温水浴超声的温度为小于等于10℃，所述恒温水浴超声的时间为4～36h。更优选的，所述恒温水浴超声的温度为10℃，所述恒温水浴超声的时间为12h。该恒温水浴超声条件下能够提升碲烯与氧化石墨烯的混合物更好的均匀分散，防止碲烯相互堆叠。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，离心转速为8000～15000rpm，离心时间为20～200min。更优选的，离心转速为10000rpm，离心时间为60min。该离心条件能够确保碲烯与氧化石墨烯的混合物与溶剂充分分离，除去溶剂水的同时也能充分收集碲烯与石墨烯的混合物，利于后续浓缩、干燥过程。
优选的，离心后，倒掉上清液，刮下离心管壁上附着的碲烯与氧化石墨烯的混合物。
优选的，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，将碲烯与氧化石墨烯的混合物分散于水中，通过旋蒸去溶剂的方法对碲烯与氧化石墨烯的混合物洗涤、干燥。
优选的，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，将得到混合液调制浓度为5～20mg/ml，再对5～20mg/ml的混合液进行脉冲式尖端超声。更优选的，将得到混合液调制浓度为10mg/ml。
优选的，所述脉冲式尖端超声的超声间隔时间为：超声5s，间隔5s，超声总时间为4h。
优选的，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，超声结束后，通过加热对混合液进行浓缩，浓缩至固含量浓度为15～25mg/ml，得到碲烯/氧化石墨烯混合分散液。更优选的，超声结束后，通过加热对混合液进行浓缩，浓缩至固含量浓度为20mg/ml。
优选的，在纺丝步骤中，将碲烯/氧化石墨烯杂化纤维浸泡于HI、NaBH4、水合肼、抗坏血酸的任一种中进行化学还原，得到碲烯/石墨烯杂化纤维。
第二方面，本发明提供了一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维，该具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维采用前述第一方面提供的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法制得。
本发明具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维具有良好的柔性、丝条均匀，拉伸强度、断裂伸长率、纤维导电率均表现优异，当在遮光处理后，施加模拟太阳光照射，纤维出现光电流，表现出显著的光电效应。
第三方面，本发明提供了一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维在柔性光电探测器上的应用。
本发明具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维具有优良的柔性和显著的光电效应，可以直接应用于柔性光电探测器，也可以通过具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维编织成布后进一步制成柔性光电探测器，最终应用于可穿戴设备上。
本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
图1为本发明提供的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备流程图；
图2为本发明实施例1制备的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的SEM图。
具体实施方式
以下所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
第一方面，本发明提供了一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，包括如下步骤：
制备碲烯与氧化石墨烯的混合物：提供碲烯预剥离分散液，向碲烯预剥离分散液中添加氧化石墨烯并进行恒温水浴超声，离心、收集底层混合物，再将底层混合物分散于水中，洗涤、浓缩、干燥，制得碲烯与氧化石墨烯的混合物；
制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液：向碲烯与氧化石墨烯的混合物中加水搅拌后得到混合液，使用脉冲式尖端超声的方式对混合液进行超声，超声结束后对混合液进行浓缩，制得碲烯/氧化石墨烯混合分散液；
纺丝：以碲烯/氧化石墨烯混合分散液作为纺丝原液，以冰醋酸作为凝固浴，进行纺丝、干燥、还原，得到碲烯/氧化石墨烯杂化纤维。
在本发明一具体实施例中，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述碲烯预剥离分散液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述碲烯预剥离分散液采用如下方法制备：提供碲粉并添加到N-甲基吡咯烷酮中，对碲粉的N-甲基吡咯烷酮溶液进行恒温水浴超声24～120h，所述恒温水浴超声的温度为小于等于10℃；
超声结束后对混合溶液进行离心，收集上清液，即为碲烯预剥离分散液。
更优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，对碲粉的N-甲基吡咯烷酮溶液进行恒温水浴超声72h，所述恒温水浴超声的温度为10℃。
更优选的，超声结束后对混合溶液进行离心，离心转速为5000rpm，离心时间为60min。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述碲烯与氧化石墨烯的质量之比为0.1～15:10。
更优选的，所述碲烯与氧化石墨烯的质量之比为1:1。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述恒温水浴超声的温度为小于等于10℃，所述恒温水浴超声的时间为4～36h。
更优选的，所述恒温水浴超声的温度为10℃，所述恒温水浴超声的时间为12h。
优选的，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，离心转速为8000～15000rpm，离心时间为20～200min。
更优选的，离心转速为10000rpm，离心时间为60min。
优选的，离心后，倒掉上清液，刮下离心管壁上附着的碲烯与氧化石墨烯的混合物。
优选的，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，将碲烯与氧化石墨烯的混合物分散于水中，通过旋蒸去溶剂的方法对碲烯与氧化石墨烯的混合物洗涤、干燥。
优选的，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，将得到混合液调制浓度为5～20mg/ml，再对5～20mg/ml的混合液进行脉冲式尖端超声。
更优选的，将得到混合液调制浓度为10mg/ml。
优选的，所述脉冲式尖端超声的超声间隔时间为：超声5s，间隔5s，超声总时间为4h。
优选的，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，超声结束后，通过加热对混合液进行浓缩，浓缩至固含量浓度为15～25mg/ml，得到碲烯/氧化石墨烯混合分散液。
更优选的，超声结束后，通过加热对混合液进行浓缩，浓缩至固含量浓度为20mg/ml。
优选的，在纺丝步骤中，将碲烯/氧化石墨烯杂化纤维浸泡于HI、NaBH4、水合肼、抗坏血酸的任一种中进行化学还原，得到碲烯/石墨烯杂化纤维。
本发明制备的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维具有如下有点：
(1)碲烯/氧化石墨烯分散液分散均匀稳定；
(2)碲烯/氧化石墨烯纺丝可纺性好，可连续纺制；
(3)碲烯/石墨烯杂化纤维中碲烯和氧化石墨烯的比例在(0:100至60:40)大范围内可调，从而实现其导电性及光电性能的可调；
(4)碲烯/石墨烯杂化纤维具有很优良导电性能，又同时还具有光电特性，在光电探测器等智能器件具有应用前景。
以下本发明通过具体实施例来阐述具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法以及制得的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维。实施例中所用的碲粉、氧化石墨烯、化学还原剂(HI、NaBH4、水合肼、抗坏血酸)等均购自阿拉丁；N-甲基吡咯烷酮、冰醋酸、乙醇均购自国药集团。
实施例1
如图1所示，一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，包括如下步骤：
制备碲烯与氧化石墨烯的混合物：提供碲烯预剥离分散液，从其中取10ml碲烯预剥离分散液，称重，记其质量为m g，得到碲烯预剥离分散液的浓度w＝0.1*m g/ml。按照碲烯与氧化石墨烯的质量之比为1:1向剩余的碲烯预剥离分散液中添加氧化石墨烯，得到混合溶液B。将混合液B置于恒温水浴超声机进行超声，水浴温度保持低于10℃，超声12h。将超声完成后的混合溶液使用离心机进行离心处理，离心转速为10000rpm，离心时间为60min。离心后，倒掉上清液。刮下离心管壁上附着的碲烯与氧化石墨烯的混合物。
制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液：将第一步制得的碲烯与氧化石墨烯的混合物分散于水中，再使用旋蒸去溶剂的方法，对碲烯与氧化石墨烯的混合物洗涤三次，干燥。取400mg洗涤并干燥后的碲烯与氧化石墨烯的混合物，将其加入到40ml水中并搅拌，得到混合液C。使用脉冲式尖端超声的方式对混合液C进行超声，超声间隔时间为：超声5s，间隔5s，超声总时间为4h。超声结束后，混合液C通过加热进行浓缩，浓缩至固含量浓度为20mg/ml，得到碲烯/氧化石墨烯混合分散液。
纺丝：将第二步得到的碲烯/氧化石墨烯混合分散液作为纺丝原液，以冰醋酸作为凝固浴，进行湿法纺丝，并干燥，得到碲烯/氧化石墨烯杂化纤维。将碲烯/氧化石墨烯杂化纤维浸泡于HI溶液中进行化学还原，得到最终的碲烯/石墨烯杂化纤维。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于：碲烯预剥离分散液的来源不同，实施例2通过自行制备碲烯预剥离分散液。
碲烯预剥离分散液的制备过程如下：
取3g Te粉加入到500ml N-甲基吡咯烷酮中震荡1min以进行初步混合，得到混合液A。将配置的混合液A置于恒温水浴超声机中对Te粉进行超声剥离。超声恒温温度应低于10℃。超声72小时，在超声过程中，每间隔6h需取出对混合液震荡1min，震荡后重新放入超声机内继续超声。超声完成后，将混合溶液A进行离心处理，离心转速为5000rpm，离心时间为60min。离心后收集上清液，得到碲烯预剥离分散液。
实施例3
实施例3与实施例1的区别仅在于：碲烯与氧化石墨烯的质量之比为15:10。
效果实施例：
将实施例1制备的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维采用扫描电镜观察，如图2所示，实施例1制备的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维具有良好的柔性，丝条均匀，直径约为53μm。
进一步对实施例1制备的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维进行物理性能测试，结果如下：拉伸强度为108MPa，断裂伸长率为6.6％。纤维电导率为12.1S/cm。当在遮光处理后，施加模拟太阳光照射，纤维出现光电流，表现出显著的光电效应。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备碲烯与氧化石墨烯的混合物：提供碲烯预剥离分散液，向碲烯预剥离分散液中添加氧化石墨烯并进行恒温水浴超声，离心、收集底层混合物，再将底层混合物分散于水中，洗涤、浓缩、干燥，制得碲烯与氧化石墨烯的混合物；
制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液：向碲烯与氧化石墨烯的混合物中加水搅拌后得到混合液，使用脉冲式尖端超声的方式对混合液进行超声，超声结束后对混合液进行浓缩，制得碲烯/氧化石墨烯混合分散液；
纺丝：以碲烯/氧化石墨烯混合分散液作为纺丝原液，以冰醋酸作为凝固浴，进行纺丝、干燥、还原，得到碲烯/氧化石墨烯杂化纤维。
2.如权利要求1所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述碲烯与氧化石墨烯的质量之比为0.1～15:10。
3.如权利要求1所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，所述恒温水浴超声的温度为小于等于10℃，所述恒温水浴超声的时间为4～36h。
4.如权利要求1所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，在制备碲烯与氧化石墨烯混合物步骤中，离心转速为8000～15000rpm，离心时间为20～200min；
离心后，倒掉上清液，沉淀物即为碲烯与氧化石墨烯的混合物。
5.如权利要求1所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，将碲烯与氧化石墨烯的混合物分散于水中，通过旋蒸去溶剂的方法对碲烯与氧化石墨烯的混合物洗涤、干燥。
6.如权利要求1所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，将得到混合液调制浓度为5～20mg/ml，再对5～20mg/ml的混合液进行脉冲式尖端超声；
所述脉冲式尖端超声的超声间隔时间为：超声5s，间隔5s，超声总时间为4h。
7.如权利要求1所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，在制备碲烯/氧化石墨烯混合分散液步骤中，超声结束后，通过加热对混合液进行浓缩，浓缩至固含量浓度为15～25mg/ml，得到碲烯/氧化石墨烯混合分散液。
8.如权利要求1所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法，其特征在于，在纺丝步骤中，将碲烯/氧化石墨烯杂化纤维浸泡于HI、NaBH4、水合肼、抗坏血酸的任一种中进行化学还原，得到碲烯/石墨烯杂化纤维。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维的制备方法制得的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维。
10.如权利要求9所述的具有光电效应的碲烯/石墨烯杂化纤维在柔性光电探测器上的应用。
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