[发明专利]大面积薄层高质量黑磷纳米片及其电化学剥离制备方法

说明书

本发明公开了一种大面积薄层高质量黑磷纳米片及其电化学剥离制备方法。所述制备方法包括：以黑磷作为工作电极，并至少与对电极、电解液共同构建电化学反应体系，其中，所述电解液为包含四丁基铵离子的乙腈溶液；将所述工作电极、对电极分别与电源的负极、正极电连接，从而在所述工作电极和对电极之间施加选定电压，进而从所述黑磷上剥离获得大面积薄层高质量黑磷纳米片。较之现有技术，本发明利用电化学剥离的方法制备的黑磷纳米片不仅产量高、剥离得到的少层黑磷薄膜的比例高、面积大、含氧率低，而且制作工艺简单、成本低、安全性高且适合大量生产。

技术领域

本发明涉及黑磷纳米片的制备，尤其涉及一种基于电化学法剥离得到大面积薄层高质量黑磷纳米片的方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

二维材料如石墨烯因其独特的物理化学性能及广泛的应用一直受到研究者们的亲睐。近年来，黑磷(BP)高的载流子迁移率(～1000cm²/Vs)，高的开关比(>10⁵)以及随层数变化可调谐直接带隙(0.3-2eV)等特性，弥补了石墨烯的零带隙、TMDs载流子迁移率过低的性能缺陷，在新型光电子器件应用方面显示了巨大的潜力。和其他二维材料类似，BP层间有较弱的范德华力，因此可以通过机械作业实现层状BP纳米片的剥离。然而如何以较低成本地制备少片层、高质量、大面积的BP纳米片是BP应用方面的仍然存在的巨大问题。液相剥离的方法是目前BP纳米片制备中最为简单的制备方法，液相剥离产物拥有更低的含氧量，更低的电阻率，并且剥离时间短。液相剥离又分为超声液相剥离和电化学液相剥离。电化学剥离是通过将某种电解质插层到二维材料层间以达到剥离目的，电化学液相剥离较超声液相剥离可得到更大的片材。

现在常见的黑磷剥离的方法主要为微机械剥离和液相剥离两大类。相对而言，微机械剥离主要适用于获得高质量的黑磷纳米片且应用于基础的物理学研究，该法得到的黑磷纳米片尺寸大小随机性很强，且可重复性、产量较低。

液相剥离又分为超声液相剥离和电化学液相剥离。超声液相剥离法与微机械剥离法相比是一种可用于大规模制备黑磷纳米片的方法，但是该方法只有通过延长超声时间以及增加超声功率来获得层数较薄的黑磷纳米片，该方法制备得到的黑磷纳米片在长时间、大功率的超声作用下，往往氧化较为严重且少层黑磷纳米片的尺寸较小，严重阻碍了其在物理领域的应用。目前普适的电化学液相剥离方法需要结合超声处理，其得到的片材满足少片层，但是不满足较大尺寸，且由于剥离电解液碳酸丙烯酯(PC)的强极性，导致PC在片材表面过多残留，影响后续的器件加工。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种大面积薄层高质量黑磷纳米片及其电化学制备方法，从而克服现有技术的不足。

为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种大面积薄层高质量黑磷纳米片的电化学剥离制备方法，其包括：

以黑磷作为工作电极，并至少与对电极、电解液共同构建电化学反应体系，其中，所述电解液为包含四丁基铵离子(TBA⁺)的乙腈溶液；

将所述工作电极、对电极分别与电源的负极、正极电连接，从而在所述工作电极和对电极之间施加选定电压，进而从所述黑磷上剥离获得大面积薄层高质量黑磷纳米片。

在一些优选方案中，所述包含四丁基铵离子的乙腈溶液的浓度为0.5～2mol/L。

本发明实施例还提供了由前述方法制备的大面积薄层高质量黑磷纳米片，其片层在10层以下，尺寸在100μm以上。

本发明实施例还提供了一种电化学剥离制备二维纳米材料的方法，其包括：

以二维纳米材料的前驱体作为工作电极，并至少与对电极、电解液共同构建电化学反应体系，其中，所述电解液为包含四丁基铵离子的乙腈溶液；