[发明专利]黑磷烯量子点‑石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，使用溶剂热方法制备三维复合材料，属于复合材料制备技术。

背景技术

二维纳米材料如石墨烯、过渡金属硫化物等，以其优异的物理和结构特性已经在电子、传感和光电器件等多领域表现出非凡的应用潜力。其中，石墨烯作为最具代表性的二维材料已经被广泛研究。它具有超高的载流子迁移率，但缺乏带隙却严重阻碍了石墨烯在逻辑半导体器件如场效应晶体管中的应用。而作为过渡金属硫化物半导体家族的代表成员，二硫化钼(MoS₂)具有明显的带隙，且在n-型晶体管中表现出优异的开关比特性(>10⁸)。然而，MoS₂中结构缺陷存在可能会导致电子迁移率的降低，从而影响它的电学性能。因此，探索更多的新型功能二维半导体材料仍然意义重大。近年来，具有单层或者少层黑磷原子层结构的黑磷烯，以其较高的的载流子迁移率(200～1000cm²V^-1s^-1)、可调节的直接带隙、较大的开关比特性(10⁴～10⁵)和各向异性等，逐渐成为最具潜力的适用于高性能电子和光电子器件的二维半导体材料。因此，亟须一种合成制备方法，能够将黑磷烯和石墨烯两种二维材料结合起来，形成同时具有两者优异物理特性的复合材料，必将拓宽黑磷烯和石墨烯复合材料在有毒有害物质检测、光电器件以及光学等诸多领域的潜在应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，利用机械搅拌的方法将黑磷烯量子点复合到氧化石墨烯表面，并加以后续的溶剂热反应和冷冻干燥步骤，可实现黑磷烯量子点修饰的氧化石墨烯的溶剂热还原和三维成型，具有低成本、规模化制备的潜能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法，首先将剪切粉碎法制备的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到含有氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯纳米片的表面，形成黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液；然后将黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料；将充满乙醇的块状胶体复合材料从高压反应釜中取出后，完全浸入去离子水中，使得块状胶体复合材料内部的乙醇和水相互交换，最终形成充满水的块状胶体复合材料；将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；最后将黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料在氩气或氮气保护下进行高温热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量。

上述黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料的制备方法的具体实现步骤如下：

(1)首先将剪切粉碎法制备的黑磷烯量子点乙醇溶液加入到含有氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液中，采用机械搅拌的方法使得黑磷烯量子点吸附到氧化石墨烯的表面，形成黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液；所述黑磷烯量子点乙醇溶液的浓度为0.001～10mg/mL，氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液浓度为0.1～10mg/mL；机械搅拌的方法时机械搅拌的时间为1～120min；

(2)取10～100mL黑磷烯量子点-氧化石墨烯纳米片的乙醇溶液倒入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后得到充满乙醇的块状胶体复合材料；所述高压反应釜的容积为25～200mL，溶剂热反应时反应温度稳定在100～200℃范围内；

(3)将充满乙醇的块状胶体复合材料从高压反应釜中取出后，完全浸入去离子水中1～48h，使得块状胶体复合材料内部的乙醇和水相互交换，最终形成充满水的块状胶体复合材料；

(4)将充满水的块状胶体取出后进行冷冻干燥6～48h，即可得到多孔的黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料；

(5)最后将黑磷烯量子点-石墨烯纳米片三维复合材料在氩气或氮气保护下进行高温热处理，以进一步消除杂质和改善复合材料质量；高温热处理时温度在450～1200℃范围内。