一種黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法，該方法利用電解質(zhì)離子在黑磷晶體上發(fā)生插層反應(yīng)形成量子點(diǎn)分散液，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二維納米材料如石墨稀、過渡金屬硫化物等，以其優(yōu)異的物理和結(jié)構(gòu)特性已經(jīng)在電子、傳感和光電器件等多領(lǐng)域表現(xiàn)出非凡的應(yīng)用潛力。其中，石墨烯作為最具代表性的二維材料已經(jīng)被廣泛研究。它具有超高的載流子迀移率，但缺乏帶隙卻嚴(yán)重阻礙了石墨烯在邏輯半導(dǎo)體器件如場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用。而作為過渡金屬硫化物半導(dǎo)體家族的代表成員，二硫化鉬(MoS2)具有明顯的帶隙，且在η-型晶體管中表現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)比特性(>108)。然而，MoS2中結(jié)構(gòu)缺陷存在可能會(huì)導(dǎo)致電子迀移率的降低，從而影響它的電學(xué)性能。因此許多方法被嘗試用來在石墨烯中引入帶隙，比如將其切成納米帶，引入缺陷和制作量子點(diǎn)。
[0003]近年來，具有單層或者少層黑磷原子層結(jié)構(gòu)的黑磷烯，以其較高的的載流子迀移率(200?1000cm2V—1S.1)、可調(diào)節(jié)的直接帶隙、較大的開關(guān)比特性(14?15)和各向異性等，逐漸成為最具潛力的適用于高性能電子和光電子器件的二維半導(dǎo)體材料。作為黑磷烯的對(duì)應(yīng)塊體材料黑磷，是磷的同素異形體中最穩(wěn)定的，并在1914年經(jīng)由白磷在高溫高壓下轉(zhuǎn)換而被首次制得。和石墨類似，黑磷的原子層間也是通過微弱的層間作用力而相互堆疊，并且這種作用力具有范德華力特征，最近的報(bào)告證實(shí)基于黑磷納米片的電子器件相比于基于石墨烯的電子器件有更好的表現(xiàn)。進(jìn)一步，黑磷量子點(diǎn)也被制備出來，并用于阻變存儲(chǔ)器和熱電轉(zhuǎn)換器件。然后目前黑磷量子點(diǎn)的制備仍然采用超聲制備的方法，耗時(shí)耗能，產(chǎn)率低，且難以控制量子點(diǎn)的尺寸。為此，開發(fā)一種可以對(duì)量子點(diǎn)尺寸加以控制且簡(jiǎn)單易行的制備方法對(duì)擴(kuò)寬黑磷在電子、光電器件以及光學(xué)等諸多領(lǐng)域的工業(yè)級(jí)應(yīng)用具有重要價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法，利用電解質(zhì)離子在黑磷晶體上發(fā)生層間插入反應(yīng)導(dǎo)致黑磷量子點(diǎn)脫落，可實(shí)現(xiàn)黑磷量子點(diǎn)的簡(jiǎn)單、快速制備，具有低成本、規(guī)?；苽涞臐撃堋?br>[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]—種黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法，采用電化學(xué)插層方法在有機(jī)溶劑中分解黑磷晶體以得到黑磷量子點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)方法為:首先，將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，將工作電極和對(duì)電極置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中；然后，將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加設(shè)定范圍的電壓，電解質(zhì)離子迀移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，使得黑磷量子點(diǎn)從黑磷晶體上脫落至有機(jī)溶劑中，得到黑磷量子點(diǎn)分散液。
[0007]該方法具體包括如下步驟:
[0008](I)將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，將工作電極和對(duì)電極置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中；有機(jī)溶劑的溫度保持在1?35°C范圍內(nèi)，有機(jī)溶劑為N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，電解質(zhì)為0.1?2M的氯化鋰；
[0009](2)將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加5?15V的電壓，電解質(zhì)離子迀移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，使得黑磷量子點(diǎn)從黑磷晶體上脫落至有機(jī)溶劑中，得到黑磷量子點(diǎn)分散液；
[0010](3)將黑磷量子點(diǎn)分散液在轉(zhuǎn)速為1500rpm條件下離心分離，取其穩(wěn)定的上層清液，即可得到直徑為2?20nm的黑磷量子點(diǎn)。
[0011]有益效果:本發(fā)明提供的黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法，利用電解質(zhì)離子在黑磷晶體上發(fā)生層間插入反應(yīng)導(dǎo)致黑磷量子點(diǎn)脫落的方法可實(shí)現(xiàn)黑磷量子點(diǎn)的簡(jiǎn)單、快速制備，具有低成本、規(guī)模化制備的潛能。該制備方法利用理想環(huán)境下的兩電極電化學(xué)體系，電解質(zhì)離子在兩電極間的電壓的驅(qū)動(dòng)到下迀移到黑磷晶體上，并發(fā)生層間插入反應(yīng)從而使得黑磷量子點(diǎn)連續(xù)脫落;這一基于電化學(xué)離子層間插入原理的方法可進(jìn)一步放大到工業(yè)化規(guī)模化生產(chǎn)，因而具有高度的擴(kuò)展性和廣泛的應(yīng)用性。和現(xiàn)有的黑磷量子點(diǎn)剝離方法相比，這種剝離技術(shù)不僅可避免液相超聲剝離過程中超聲波能量效率不足、剝離時(shí)間冗長(zhǎng)的問題；更重要的是，利用電化學(xué)剝離技術(shù)所制得的黑磷量子點(diǎn)，具有較統(tǒng)一的尺寸。
【附圖說明】
[0012]圖1為采用本發(fā)明方法制得的黑磷量子點(diǎn)分散液的光學(xué)照片；
[0013]圖2為采用本發(fā)明方法制得的黑磷量子點(diǎn)的TEM像;其中，(a)是低倍TEM像，(b)是高分辨TEM像；
[0014]圖3為采用本發(fā)明方法制得的黑磷量子點(diǎn)的尺寸統(tǒng)計(jì)柱狀圖；其中，橫坐標(biāo)為直徑(單位:nm)，；縱坐標(biāo)是計(jì)數(shù)(無量綱)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0016]實(shí)施例1
[0017](I)首先將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，兩者置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中，溶劑溫度保持在10°C。所用有機(jī)溶劑為N，N_二甲基甲酰胺(DMF)，電解質(zhì)為0.5M的氯化鋰。
[0018](2)然后將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加7V的電壓，利用電解質(zhì)離子迀移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，導(dǎo)致黑磷晶體分解形成量子點(diǎn)分散液。
[0019](3)將所得黑磷量子點(diǎn)分散液在轉(zhuǎn)速為1500rpm條件下離心分離，取其穩(wěn)定的上層清液，即可得到平均直徑為3nm的量子點(diǎn)。
[0020]實(shí)施例2
[0021](I)首先將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，兩者置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中，溶劑溫度保持在20°C。所用有機(jī)溶劑為N，N_二甲基甲酰胺(DMF)，電解質(zhì)為IM的氯化鋰。
[0022](2)然后將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加1V的電壓，利用電解質(zhì)離子迀移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，導(dǎo)致黑磷晶體分解形成量子點(diǎn)分散液。
[0023](3)將所得黑磷量子點(diǎn)分散液在轉(zhuǎn)速為1500rpm條件下離心分離，取其穩(wěn)定的上層清液，即可得到平均直徑為5nm的量子點(diǎn)。圖1為本實(shí)施例制備的黑磷量子點(diǎn)分散液的光學(xué)照片。圖2為黑磷量子點(diǎn)分散液中黑磷量子點(diǎn)的TEM像，其中，(a)是低倍TEM像，(b)是高分辨TEM像。根據(jù)圖3黑磷量子點(diǎn)的尺寸統(tǒng)計(jì)柱狀圖分析可知，本實(shí)施例制備的量子點(diǎn)的平均直徑約為3nm。
[0024]實(shí)施例3
[0025](I)首先將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，兩者置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中，溶劑溫度保持在35°C。所用有機(jī)溶劑為N，N_二甲基甲酰胺(DMF)，電解質(zhì)為1.5M的氯化鋰。
[0026](2)然后將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加12V的電壓，利用電解質(zhì)離子迀移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，導(dǎo)致黑磷晶體分解形成量子點(diǎn)分散液。
[0027](3)將所得黑磷量子點(diǎn)分散液在轉(zhuǎn)速為1500rpm條件下離心分離，取其穩(wěn)定的上層清液，即可得到平均直徑為7nm的量子點(diǎn)。
[0028]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法，其特征在于:采用電化學(xué)插層方法在有機(jī)溶劑中分解黑磷晶體以得到黑磷量子點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)方法為:首先，將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，將工作電極和對(duì)電極置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中；然后，將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加設(shè)定范圍的電壓，電解質(zhì)離子迀移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，使得黑磷量子點(diǎn)從黑磷晶體上脫落至有機(jī)溶劑中，得到黑磷量子點(diǎn)分散液。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法，其特征在于:該方法具體包括如下步驟: (1)將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，將工作電極和對(duì)電極置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中；有機(jī)溶劑的溫度保持在10?35°C范圍內(nèi)，有機(jī)溶劑為N，N-二甲基甲酰胺，電解質(zhì)為0.1?2M的氯化鋰； (2)將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加5?15V的電壓，電解質(zhì)離子迀移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，使得黑磷量子點(diǎn)從黑磷晶體上脫落至有機(jī)溶劑中，得到黑磷量子點(diǎn)分散液； (3)將黑磷量子點(diǎn)分散液在轉(zhuǎn)速為1500rpm條件下離心分離，取其穩(wěn)定的上層清液，SP可得到直徑為2?20nm的黑磷量子點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種黑磷量子點(diǎn)的電化學(xué)制備方法，采用電化學(xué)插層方法在有機(jī)溶劑中分解黑磷晶體以得到黑磷量子點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)方法為：首先，將黑磷晶體用導(dǎo)電膠固定在金屬棒上作為工作電極，以鉑電極作為對(duì)電極，將工作電極和對(duì)電極置于含有電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中；然后，將工作電極和對(duì)電極分別連接到直流電源的正極和負(fù)極，施加設(shè)定范圍的電壓，電解質(zhì)離子遷移到黑磷晶體并發(fā)生電化學(xué)插層反應(yīng)，使得黑磷量子點(diǎn)從黑磷晶體上脫落至有機(jī)溶劑中，得到黑磷量子點(diǎn)分散液。本發(fā)明公開的黑磷量子點(diǎn)的制備方法具有成本低、可規(guī)?；苽?、效率高、生產(chǎn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】C25B1/00
【公開號(hào)】CN105543882
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510961869
【發(fā)明人】徐峰, 童日, 汪棟, 徐希慶, 陸琰琰, 倪亞茹, 閔輝華, 孫立濤
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月21日