[发明专利]一种基于黑磷电极的传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种黑磷电极及其制备方法，尤其涉及一种基于黑磷电极的传感器及其制备方法。

背景技术

黑磷(Black Phosphorus)作为磷的常见四种同素异形体(即：红磷，白磷，紫磷，黑磷)中密度最大(2.69g/cm³)，最稳定的一种，具有金属光泽，导电性好。它具有类似石墨的层状结构，层与层之间靠范德华力结合。黑磷结构中区别于石墨的最大特点在于，其同一层内的磷原子不在同一平面内，沿着b轴呈褶皱的层状排列，且层间距比石墨大(约5埃)。此外，黑磷是直接带隙半导体，具有良好的电子迁移率和光学特性，以及比石墨更高的理论电池容量2596mAh/g，这些优点都使得黑磷在电子及光电器件领域具有极大的应用前景。

根据文献，黑磷是一种单质材料呈铁灰色，具有金属光泽、密度高，层状结构，能导电，着火点为490℃，熔点610℃，无毒。它的晶体属层晶型，同一层间每个磷原子有三个邻近原子，距离为217-220Pm，键角为102°，与次层内最近的原子相距387Pm，晶胞参数a＝331.4Pm，b＝1048Pm，c＝437.6Pm。黑磷具有导电性，在273.16K电阻率为0.711Ω·cm，300-700K的电阻率系数为4.6×10^-3Ω·cm，斜方黑磷密度为2.69g·cm^-3，无定形黑磷密度为2.25g·cm^-3。

二维晶体材料因具备优越的电气性能，受到半导体材料研究领域的高度重视。二维石墨烯的发现宣告了真正意义上的二维材料的出现，近年来一直作为研究热点。然而，由于石墨烯的加工成本高昂，且不具有半导体带隙，无法实现数字电路的逻辑开与关，阻碍了石墨烯的应用。而黑磷为直接带隙材料，单原子层黑磷的带隙为2eV，多原子层黑磷的带隙为0.3eV，可通过改变黑磷的厚度来调节其带隙，可以使吸收波长从500nm到4100nm之间变化，适用于从可见光到中红外波段的激光器应用。它是一种非常有潜力的超宽带可饱和吸收材料，相比碳纳米管而言，它可以实现更宽波段的吸收；相比石墨烯而言，它有更大的共振吸收(20％-30％)。

现有技术中，黑磷纳米薄片在应用中遇到的一个问题是，遇水或遇氧气时会迅速降解，这成为阻碍黑磷在传感器方面的应用。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的第一目的是提供一种黑磷电极。具体制备步骤如下：

(1)黑磷的制备：

原料为红磷、白磷、锡和四碘化锡，将原料混合装入高压反应器，抽真空至高压反应器内压强为2.5～4.5GPa，加热使反应器内温度为300℃～700℃，反应30～50min，在1～3小时内降温至50℃～80℃，保温20～40min后，在1～3小时内降温至室温，得到黑磷。

本步骤一个可选的技术方案是用汞作催化剂。

本步骤一个可选的技术方案是，黑磷为具有层状结构的无定形黑磷或斜方黑磷，其晶格中的磷原子可被元素周期表中的IIIA或IVA或VA或VIA的元素50％以下取代。

所述原料的质量以100份计，其中，红磷为25～45份，白磷为3～18份，锡为45～65份，四碘化锡为1～10份。

优选地，所述原料的质量以100份计，其中，红磷为30～40份，白磷为5～15份，锡为50～60份，四碘化锡为1～5份。

优选地，所述原料的质量以100份计，其中，红磷为35份，白磷为10份，锡为52份，四碘化锡为3份。

优选地，所述高压反应器内压强为2.8～4.0GPa，温度为400℃～600℃。

优选地，所述高压反应器内压强为3GPa，温度为500℃。

(2)有机溶剂浸渍的黑磷的制备：将黑磷研磨至粒径为30～500nm的黑磷颗粒，取20～40mg黑磷颗粒分散到80～120mL有机溶剂中超声震荡50～120min形成均一的溶液，加入乙二胺四乙酸(EDTA)到上述溶液中，得到的混合物在马弗炉中40～70℃加热反应5～8h然后逐渐冷却到室温；沉淀物滤出后，分别用去离子水和乙醇洗涤7～10次，然后在50～70℃条件下真空干燥7～12h，即得到有机溶剂浸渍的黑磷。

所述有机溶剂包括但不限于：低密度聚乙烯(LDPE)、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚已内酯(PCL)、N-环己基吡咯烷酮(CHP)、聚丁二醇丁二酸酯(PBS)中的一种或多种组合。