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二维材料黑磷的制备、稳定性以及其功能研究

张泰铭  
【摘要】:近些年来,二维材料受到了广泛的关注和研究,并在各方面的应用领域发挥着巨大作用。其中,黑磷因其独特的二维褶皱平面结构、可调节的能带结构(0.3~2.0 eV)、高达1000 cm2 v-1 s-1的载流子迁移率以及各向异性等特征,在最近几年里受到了研究人员的广泛和深入研究,实现了在场效应晶体管、光电转化器件、储能以及光催化等领域的应用,并显示出广泛的应用前景。然而,要实现更广泛和优势的应用,高效宏量的制备黑磷纳米片是关键的基础一步;同时,黑磷的环境化学稳定性较差,深入的研究黑磷降解的化学过程并从降解机理的角度提出稳定黑磷的手段同样也显得尤为重要;另外,深入研究黑磷的时间还不长(5年),黑磷在功能应用方面值得我们进一步的去研究和探索。该论文主要是围绕着二维材料黑磷开展,工作涉及黑磷的制备、基础性质研究以及功能应用探索方面,具体包括以下几个方面:(1)发展了利用液相剪切剥离宏量制备黑磷纳米片的方法,并实现了黑磷纳米片长时间稳定储存。通过高速剪切剥离的方法,制备了微米级黑磷纳米片和黑磷纳米片分散液;在乙醇,丙酮以及N,N-二甲基甲酰胺这三种溶剂中探索了剪切剥离过程中的参数对制备的黑磷纳米片浓度的影响,得出了这些参数与黑磷纳米片浓度之间的关系式,发现在丙酮中剥离黑磷的效率最高;通过跟踪黑磷纳米片在这三种溶剂中的稳定性,发现黑磷纳米片在黑暗环境下分散在丙酮中时,能保持长时间(20天)的稳定;最后,实现了在丙酮中制备升量级的黑磷纳米片分散液,并实现了黑磷纳米片在丙酮中数月的稳定保存。(2)揭示了黑磷在水中降解的化学过程,并实现了在水中长时间的保持黑磷纳米片的结构和功能稳定。通过跟踪在水中黑磷以及水溶液中离子的变化,确定了黑磷的降解产物,主要为PO23-、PO33-和PO43-,结合理论计算,表明氧是黑磷降解的关键因素;通过原位的跟踪黑磷纳米片在水中降解过程的形貌变化,发现黑磷在水中的降解优先在边缘处发生;通过进一步的分析黑磷降解过程中降解产物的变化,确定了黑磷在水中的降解符合准一级平行反应特征,产物PO23-、PO33-和PO43-所对应的反应动力学常数分别为0.019,0.034和0.023 day-1;最后,通过将水溶剂简单的除氧处理,实现了黑磷纳米片长达数月的结构稳定,结合黑磷高效的光催化产氢活性,验证了在除氧条件下,黑磷同样能长时间的保持其光催化产氢功能性。(3)发现并进一步的探索了黑磷在阻燃应用方面的性能和优势,确定了黑磷能在不同热稳定性的高分子中发挥高效的阻燃作用,揭示了它在阻燃过程中的阻燃机制和结构优势。通过直接对比黑磷、红磷以及磷酸三苯酯对纤维素和聚丙烯腈阻燃性能的改善情况,发现在相同甚至更低负载量的情况下,黑磷能更有效的提高它们的阻燃性质,效率分别是红磷和磷酸三苯酯的2倍和4.4倍;通过燃烧产物的分析以及热分析,发现黑磷实现高效的阻燃效果主要是来自于它在固相反应中的二维结构优势,可以在燃烧过程中促进界面处形成均匀、连续、热稳定的炭层,阻断燃烧反应的传热和传质过程,从而使燃烧停止;另外,黑磷在提高聚丙烯腈的阻燃性能的同时还能增强其力学性能。


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