[发明专利]一种石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶，包括石墨烯三维骨架、以及负载在所述石墨烯三维骨架上的黑磷纳米片和含氮离子液体，其中所述黑磷纳米片被所述含氮离子液体包裹，所述石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶具有三维多孔网状结构。该复合气凝胶具有高弹性、高回复性和高导电性，且具有十分优异的稳定性，其丰富了黑磷的产品形式，拓展了黑磷的应用范围，有望应用在能源(铝离子电池、太阳能电池、锂离子电池等)、催化、水处理、光电和光热等领域中。本发明还提供了该复合气凝胶的制备方法。

技术领域

本发明涉及无机纳米材料制备技术领域，特别是涉及一种石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶及其制备方法。

背景技术

黑磷是一种新型的直接带隙二维材料，其带隙可从0.3eV(本体状态)到1.5eV(单层)通过层数进行调节，因此能够吸收从可见光到通讯用红外线范围波长的光，加之其较高的载流子迁移率(厚度为10nm时可高达1000cm²˙v^-1˙s^-1)和较高的通断比(10⁴)，其在半导体领域、光电以及光热等领域显示出极大的潜在优势。

在实际应用中，黑磷需要被剥离成单层、少层或者多层黑磷(即磷烯)才能发挥其优异的光电和光热性能。目前，大多数研究报道都是基于二维黑磷纳米片或者黑磷量子点，暂未见任何关于黑磷气凝胶的研究报道。而二维黑磷纳米片和黑磷量子点多以粉末或者溶液的形式存在，这导致这些黑磷材料在使用后将无法回收再利用。此外，二维黑磷纳米片和黑磷量子点的稳定性问题依然是一个极其重要的研究课题。然而，如果黑磷能够形成三维结构，诸如凝胶/气凝胶、海绵状结构等，不仅能够解决黑磷的稳定性问题，而且能够充分发掘黑磷的潜在应用，诸如在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、铝离子电池、水处理、半导体、光电、光热、医学等领域中的应用。因此，开发一种基于黑磷的气凝胶显得非常重要。

发明内容

鉴于此，本发明第一方面提供了一种石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶，该复合气凝胶具有高弹性、高回复性和高导电性，且具有十分优异的稳定性，其丰富了黑磷的产品形式，拓展了黑磷的应用范围。

第一方面，本发明提供了一种石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶，包括石墨烯三维骨架、以及负载在所述石墨烯三维骨架上的黑磷纳米片和含氮离子液体，其中所述黑磷纳米片被所述含氮离子液体包裹，所述石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶具有三维多孔网状结构。

由于黑磷纳米片之间相互作用较弱，无法通过自组装行为来搭建纯黑磷纳米片的凝胶，所以需要借助一种三维多孔材料作为载体来形成凝胶。而石墨烯的强疏水性、石墨烯片层之间的π-π堆积作用以及受限空间的影响，石墨烯容易发生自组装行为形成石墨烯水凝胶，并可作为载体而负载/吸附其它纳米无机材料。

本发明的石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶，以石墨烯三维骨架作为载体，其中，含氮离子液体的阳离子(带正电荷)与黑磷纳米片具有一定的“阳离子-n电子”的相互作用，从而使得黑磷纳米片被含氮离子液体所包覆，这不仅阻止了黑磷纳米片之间的团聚并显著提高了黑磷纳米片的分散性，且大大提高了黑磷纳米片的稳定性，避免了氧气和水对黑磷纳米片的降解作用。另外，含氮离子液体还与石墨烯表面存在“阳离子-π/π-π”相互作用，使得黑磷纳米片能够吸附在石墨烯的表面，从而能够最终形成均一、稳定的石墨烯/黑磷纳米片/含氮离子液体复合气凝胶。

本发明中，所述黑磷纳米片被包覆于复合气凝胶的本体之中，未暴露在空气中，可免于被氧化。

本发明中，可选地，所述石墨烯三维骨架与所述黑磷纳米片的质量比为1：(0.375-8)，进一步地为1：(2.5-8)。所述黑磷纳米片与所述含氮离子液体的质量比为1：(6.25-666.7)，进一步地为1：(100-666.7)。可选地，所述石墨烯与含氮离子液体的质量比为1：(25-2000)，进一步地为1：(250-2000)。