黑磷納米片與富勒烯C60雜化材料的制備及性能研究.pdf

1、黑磷由于具有各向異性的二維層狀結(jié)構(gòu)、高的載流子遷移率及帶隙隨著層數(shù)在0.3-2.0eV范圍內(nèi)可調(diào)等特點(diǎn)，近年來(lái)受到了研究者們的廣泛關(guān)注，在儲(chǔ)能、催化、太陽(yáng)能電池、生物傳感等很多領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。特別地，早在2014年就有理論報(bào)道預(yù)測(cè)黑磷可以應(yīng)用于光催化產(chǎn)氫，但是文獻(xiàn)中并沒(méi)有實(shí)驗(yàn)上的報(bào)道。阻礙黑磷應(yīng)用的主要因素是其在水、氧氣和空氣環(huán)境下穩(wěn)定性很差，尤其是少層黑磷納米片很容易被氧化降解。另一方面，以C60為代表的富勒烯在水、氧氣和空氣

2、環(huán)境下具有很高的穩(wěn)定性，同時(shí)具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，如將其與黑磷納米片進(jìn)行雜化，不僅有望提高黑磷納米片的穩(wěn)定性，而且所形成的黑磷納米片-富勒烯雜化材料將有望綜合黑磷納米片和富勒烯各自的性質(zhì)，甚至表現(xiàn)出更優(yōu)異的性質(zhì)。本論文以合成新型黑磷納米片-富勒烯雜化材料為出發(fā)點(diǎn)，集中于發(fā)展新的方法制備富勒烯通過(guò)共價(jià)鍵連接在黑磷納米片上的黑磷納米片-富勒烯雜化材料，并探索其光催化等性能，主要開(kāi)展了以下三個(gè)方面的工作:
　　(1

3、)發(fā)展了利用機(jī)械化學(xué)法制備少層黑磷納米片的新方法并首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了其在可見(jiàn)光下具有光催化產(chǎn)氫活性。以塊體黑磷為原料，以無(wú)水LiOH粉末為添加劑，采用簡(jiǎn)便且環(huán)境友好的固相機(jī)械球磨法成功制備了少層黑磷納米片（簡(jiǎn)寫(xiě)為BP-BM）。通過(guò)一系列光譜表征提出BP-BM為邊緣羥基功能化的少層黑磷納米片。進(jìn)一步地，研究了所制備的BP-BM的光催化產(chǎn)氫性能，在沒(méi)有任何助催化劑參與的情況下，其在可見(jiàn)光下平均產(chǎn)氫速率達(dá)到512μmol·h-1·g-1，是同

4、樣條件下的塊體黑磷粉末的18倍。分析表明BP-BM相比于塊體黑磷粉末光催化產(chǎn)氫性能顯著提升的主要原因是其帶隙相比于塊體黑磷增大，導(dǎo)帶底能級(jí)相比于塊體黑磷更負(fù)，更容易還原H+產(chǎn)生H2，而價(jià)帶頂能級(jí)更正，使得電子和空穴不易復(fù)合，從而提高了電子和空穴的分離效率。
　　(2)以塊體黑磷和純C60為原料，在沒(méi)有任何添加劑的條件下，利用固相機(jī)械球磨法成功制備了C60分子共價(jià)連接在黑磷納米片邊緣的少層黑磷納米片-富勒烯雜化材料（簡(jiǎn)寫(xiě)為BP-C6

5、0）。經(jīng)過(guò)一系列的形貌和光譜表征，提出在BP-C60雜化材料中C60分子選擇性地通過(guò)P-C鍵共價(jià)連接在黑磷納米片的邊緣。為了驗(yàn)證C60的引入對(duì)黑磷納米片穩(wěn)定性的影響，對(duì)比研究了BP-C60雜化材料與上述不引入C60條件下單獨(dú)球磨塊體黑磷所得到的BP-BM在水中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)BP-C60雜化材料相比于BP-BM在水中的穩(wěn)定性顯著提高了4.6倍。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將BP-C60雜化材料應(yīng)用于光電化學(xué)和光催化降解染料污染物中。對(duì)比研究表明BP

6、-C60雜化材料相對(duì)于BP-BM以及經(jīng)簡(jiǎn)單物理混合而得到的BP/C60混合物而言光電流響應(yīng)和光催化降解染料的活性都顯著提高，其原因在于C60分子具有很好的接受電子的能力，光照激發(fā)的電子易于從BP移到C60上，因此BP-C60雜化材料中光生電子和空穴更容易分離，從而提高了光電流響應(yīng)和光催化降解染料的活性。
　　(3)設(shè)計(jì)并通過(guò)有機(jī)反應(yīng)制備了一種C60分子通過(guò)芳基橋連到黑磷納米片表面的BP-C60雜化材料（簡(jiǎn)寫(xiě)為BP-Azide-C6