[發明專利]一種帶隙可調的單層磷摻雜的石墨烯納米片的制備方法

在審

• 申請號: 201810673572.4
• 申請日: 2018-06-26
• 公開（公告）號: CN108658060A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 曹傳寶;吳玉軍
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B3/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種帶隙可調的單層磷摻雜的石墨烯納米片的制備方法，該方法以磷酸鹽、羧酸鹽和碳酸鹽為原料。包括以下步驟(1)將磷酸鹽，羧酸鹽和碳酸鹽化合物的其中兩種按摩爾比為0.01:20～40:20或者三種按摩爾比為0.01:0.01:20～40:40:20混合研磨均勻；(2)將步驟(1)中得到的混合物在氬氣氣氛下于煅燒；(3)將步驟(2)中所得的產物用稀鹽酸、蒸餾水和乙醇洗滌數次，以除去多余的鹽，然后，將產物在80℃下真空干燥10h得到單層磷摻雜的石墨烯納米片。本發明的突出優點是：原料廉價易得，綠色環保，合成步驟簡便易行，制得的產品具有可調的光學性質，具有催化光解水產氫活性且具有較好的穩定性，在光電子器件以及能源方面具有潛在的應用。

技術領域

本發明屬于二維功能材料雜原子摻雜的石墨烯的合成技術領域，具體涉及一種單層磷摻雜的石墨烯納米片的制備方法，通過磷的摻雜量對材料的帶隙進行可控的調節。

背景技術

光學器件的應用是研究人員的熱門話題，調節材料的帶隙對器件性能起著至關重要的作用。優良的器件應具有高效率，高穩定性，低成本低，易于合成。石墨烯是一種非常特殊的由碳原子構成的二維納米片材料，具有蜂窩結構和一些獨特的性能如它的光學、熱學、電學和機械性能都很優異，這些使其成為光電器件的優良的候選材料。另外，石墨烯具有高導熱率(約5000W m^-1K^-1)，優異的載流子遷移率(200000cm²V^-1s^-1)和極高的比表面積(約2600m²g^-1)，因此它非常適合應用于器件中。然而，石墨烯是零帶隙半金屬，這對于它應用于器件是不利的。缺乏合適的帶隙是限制石墨烯材料在器件中使用的主要障礙，因此基于石墨烯的光電器件的發展取決于是否能夠實現石墨烯帶隙的可控調節。目前，許多方法可用于調節石墨烯的帶隙，例如電場效應，水分子吸附，化學官能化，在襯底上沉積石墨烯，金屬電極與石墨烯接觸和摻雜雜原子。然而，利用電場效應和基底沉積石墨烯的方法來調節石墨烯的帶隙是很復雜的，另外水分子的吸附和化學官能化方法條件苛刻，與石墨烯接觸的方法中的金屬電極(如Co，Ni，Pd，Al，Cu，Ag，Pt和Au)對環境有害。相比較而言，用摻雜雜原子法調控石墨烯帶隙簡便易行，條件可控。

基于以上因素，用石墨烯摻雜雜原子來調控帶隙引起了人們極大的關注，因此尋求綠色和有效的雜原子摻雜的石墨烯來改善器件的性能是非常必要的。雜原子(如N，P，S或B)具有缺電子或富電子性質，它們可以通過打開帶隙來改變石墨烯材料的光電性質。在各種材料中，磷是地球上最豐富的元素之一，存在三種形式：紅色，白色和黑色的同素異形體。特別是，黑磷的可調帶隙范圍為0.3eV到2.0eV。磷摻雜石墨烯可以通過調節石墨烯中磷的含量使其具有合適的帶隙，因此來制造高性能器件，從而改善其性能。與其他材料相比，磷摻雜石墨烯半導體具有帶隙可調，電荷載流子遷移率高，比表面積高，熱導率高等優點，可以提高其效率和穩定性。

發明內容

本發明的目的是解決單層石墨烯帶隙不易調節的技術問題，提供了一種簡單的制備出帶隙可調的單層磷摻雜石墨烯納米片的一步合成方法。該制備方法采用一種新的原料配比，制備方法簡便易行，且產物具有可調的光學性質，具有催化光解水產氫活性。

本發明的目的可以通過以下方案實現：

一種帶隙可調的單層磷摻雜的石墨烯納米片的制備方法，包括如下步驟:

(1)將磷酸鹽化合物、羧酸鹽化合物和碳酸鹽化合物的其中兩種按摩爾比為0.01:20～40:20或者三種按摩爾比為0.01:0.01:20～40:40:20混合研磨均勻；

(2)將步驟(1)中得到的混合物加入剛玉瓷舟中并放入管式爐中，混合物在氬氣氣氛下于500～3000℃煅燒5～600min，升溫速率為0.1～10℃/min，煅燒完畢后，在氬氣氣氛下自然冷卻至室溫；