[发明专利]一种单晶少层锑烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术，特别涉及一种单晶少层锑烯的制备方法。

背景技术

锑是第五主族元素，室温下稳定存在，为带有银色光泽的灰色金属，属于六方晶系排布状态，有一个6次对称轴或者6次倒转轴，该轴是晶体的直立结晶轴C轴。另外三个水平结晶轴正端互成120夹角。锑的结构为层状结构(空间群：R3mNo.166)，每层都包含相连的褶皱六元环结构，最近的和次近的锑原子形成变形八面体，层与层之间的成键很弱。

鉴于上述锑的结构特征，层与层之间比较弱的结合力使得锑的剥离成为可能。对于锑而言，其本身在现有的工业生产及国民经济中就有着广泛的应用，例如与铅形成铅锑合金，作为铅酸电池的电极；作为减磨合金的添加剂等；同时，锑作为硅的掺杂剂也被广泛应用于半导体工业中。工业生产中所用的锑一般是将锑矿石在高温下通过碳粉还原得到。

在新兴的纳米材料领域，探索和发现新的二维材料具有强大吸引力。锑烯这一概念最早由文献(Atomicallythinarseneneandantimonene:semimetal-semiconductorandindirect-directband-gaptransitions.AngewandteChemie2015，54:3112-3115)报道，锑烯被定义为在厚度上只有一层原子或少层原子构成的锑纳米片。目前，尚无锑烯的制备合成方法的报道，通过纳米化的方法制备出锑烯，无论是在能源器件如锂离子电池，还是在光电器件领域如光限幅器件上都将会有大规模应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可控的高质量、大规模的新型二维材料——单晶少层锑烯的制备方法，利用液相超声辅助剥离的方法大量制备大小和厚度均一、尺寸可调控、高纯度、高结晶度的锑烯。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单晶少层锑烯的制备方法，采用液相超声辅助剥离的方法，将锑粉、有机溶剂和表面活性剂混合并超声剥离，一步法制备少层锑烯。通过调控超声功率、超声时间和表面活性剂的用量，得到不同尺寸厚度的锑烯，具体步骤如下：

首先将锑粉和乙醇混合均匀，再加入表面活性剂，然后在80～100W功率下超声3～5h，之后将超声后的混合液慢速离心，上清液经冷冻干燥后制得锑烯。

所述的表面活性剂选自油胺、十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的一种，优选为十二烷基硫酸钠。

所述的表面活性剂的质量为锑质量的1％～10％，优选为1％～4％。

所述的离心的速度为2000～2500r/min，离心时间为10～15min。

所述的冷冻干燥时间为18～20h。

本发明采用超声液相辅助剥离的方法，超声波为溶液体系提供能量，乙醇获得能量后与锑粉作用，可以有效地打破锑原子层之间弱的范德华力，从而剥离得到少层锑烯。表面活性剂的加入一方面可以调节有机溶液的表面能，使之尽可能与锑烯的表面能平衡；另一方面，表面活性剂可以有效的包覆在锑烯表面，防止其聚沉。

本发明的锑烯的制备方法工艺简单、反应温和、容易控制且重复性好，制备得到的锑烯大小和厚度均一、尺寸可调控、纯度高。

附图说明

图1为实施例1制备的锑烯的SEM图。

图2为实施例1制备的锑烯的厚度分布统计图。

图3为实施例1制备的锑烯的XRD图。

图4为实施例2制备的锑烯的SEM图。

图5为实施例2制备的锑烯的HRTEM图。

图6为实施例3制备的锑烯的SEM图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

首先，向100ml广口瓶中加入4g锑粉和80ml无水乙醇，混合均匀，再加入40mg表面活性剂油胺；然后，将反应容器置于超声清洗机中，以80W功率超声3h；将超声后的液体以2000r/min离心10min，取出上清液；最后，将取出的上清液冷冻干燥18h，最终产物即为锑烯。

对制备得到的锑烯进行表征分析，结果如图1、图2和图3所示。图1为扫描电子显微镜图，从图可知，锑烯形貌均匀、大小均一、尺寸约为2.5μm。图2为根据原子力显微镜测试结果得到的锑烯厚度分布统计图，从图2可知，75％以上的锑烯厚度在15nm以下，30％以上的锑烯厚度为5～10nm。图3为锑烯的XRD测试图，从图3可知，所有的衍射峰均为锑的特征峰，未见任何杂相，说明制得的少层锑烯具有极高的结晶性和纯度。

实施例2