本技术涉及一种通过微结构调控的冲击相变方法来制备黑磷纳米材料,属于纳米材料制备工艺领域。该技术首先选用纯度超过98.9%的红磷微米粉体进行预处理,进而获得纳米级黑磷材料。
背景技术
黑磷是一种有直接带隙的二维层状半导体材料,呈现较强的面内各向异性。因此,黑磷具有优异且独特的光学、电学、力学等特性,应用前景广泛。然而,为实现黑磷材料在不同领域的广泛应用,须有针对性地制备不同结构的黑磷材料。黑磷纳米材料是至少一个维度方向上尺寸小于100nm的黑磷材料,也是黑磷材料广泛应用的主要形式,纳米黑磷的种类很多,不同形貌和结构的纳米黑磷具备不同的性能,在实际应用时会根据形貌和微结构特征广泛应用于药物纳米载体、纳米传感器薄膜、复合纳米催化剂等不同领域,如厚度5nm的微米级黑磷纳米片可作为基体制备黑磷基量子点复合材料、二维尺寸百纳米左右的寡层黑磷烯被广泛用于黑磷基异质结催化剂、二维尺寸百纳米左右的单层黑磷烯可用于复合薄膜纳米传感器的制备、二维尺寸小于10nm的黑磷量子点可锚固于其他二维材料表面形成量子点催化剂等。
黑磷与石墨结构类似,均为范德华力结合的分子层状材料。因此,黑磷纳米材料制备方法多借鉴石墨纳米材料及石墨烯的制备方法,往往以黑磷为前体进行破碎、剥离、烧蚀等减材制造方式制备黑磷纳米材料。这类制备方式往往在预处理、制备、分离提纯等环节出现的原材料浪费。而目前,虽然随着科技的进步,黑磷产量逐渐从克量级增长至千克量级,但制备仍然相对困难,单价因结晶程度和尺寸的不同仍多为1000~10000元/克。可见,利用上述减材制造方式制备黑磷纳米材料,除工艺复杂等因素外,原材料成本也导致制备成本高、生产效率低。除上述几种减材制造方式,化学气相沉积(CVD)方法也可用于黑磷烯薄膜的制备,然而,CVD法制备工艺复杂、条件控制严格、成本较高,目前仍难以进行规模化生产。可见,一种低成本、可规模化的、可通过调节工艺参数实现微结构调控的黑磷纳米材料制备方法仍然是黑磷材料研究及应用等领域所亟需的。
利用飞片冲击加载产生瞬时高温高压,是一种广泛应用的动高压加载技术。其利用飞片高速撞击产生的冲击波作用于材料,在微秒量级时间内形成高温高压(102~103K,102~103GPa),并使材料在细观和微观层面上受到撞击压缩、剪切、摩擦、拉伸等复杂机械作用,导致材料发生物理化学变化,从而制备新材料。目前该技术已成功用于高压相C3N4纳米粉体、钙钛矿纳米晶粉末、石墨烯粉末等材料的制备。结合已有的关于利用静高压等技术使红磷相变为黑磷的研究报道可知,通过冲击加载方式处理价格便宜且易制备的红磷材料,可制备黑磷材料。然而,目前尚未报道通过工艺参数调控、利用冲击相变实现微结构可控的黑磷纳米材料制备的报道。
实现思路