一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，包括石墨烯三维骨架、以及负载在所述石墨烯三维骨架上的黑磷纳米片和含硫离子液体，其中所述黑磷纳米片被所述含硫离子液体包裹，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶具有三维多孔网状结构。所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶具有高弹性、高回复性、高导电性，且具有十分优异的稳定性，其丰富了黑磷的产品形式，拓展了黑磷的应用范围。本发明专利技术还提供了该石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶的制备方法。

A graphene / black phosphorus nanoscale / sulfur containing ionic liquid composite aerogel and its preparation method

The invention discloses a graphene nanosheets / black phosphorus sulfur / ionic liquid composite aerogels, including graphene 3D skeleton, and the load on the graphene skeleton on black phosphorus nanosheets and sulfur containing ionic liquid, wherein the black phosphorus nanosheets by the sulfur ion liquid package, the graphite graphene nanosheets / black phosphorus sulfur / ionic liquid composite aerogels with three-dimensional porous structure. The graphene / black phosphorus nanosheets / Sulfur-Containing ionic liquid composite aerogels have high elasticity, high recovery, high conductivity and excellent stability. They enrich the form of black phosphorus and expand the application scope of black phosphorus. The invention also provides a preparation method of the graphene / black phosphorus nanoscale / sulfur containing ionic liquid composite aerogel.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶及其制备方法
本专利技术属于无极纳米材料制备领域，具体涉及一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
黑磷(Blackphosphorene)是一种新型直接带隙二维材料，其带隙可从0.3eV(本体状态)到1.5eV(单层)通过其层数进行调节，可以吸收从可见光到通讯用红外线范围波长的光，加之其较高的载流子迁移率(黑磷厚度为10nm时可高达1000cm2˙v-1˙s-1)和较高的通断比(104)，使得其在半导体领域、光电领域以及光热领域等显示出极大的潜在优势。在实际应用中，黑磷块体需要被剥离成单层、少层或多层黑磷(即磷烯)才能发挥其优异的性能。目前，大多数研究报道都是基于二维黑磷纳米片或者黑磷量子点，暂未见任何关于黑磷气凝胶的研究报道。而二维黑磷纳米片或者黑磷量子点多是以粉末或者溶液的形式存在，这导致这些黑磷材料在使用后不便于回收再利用。另外，二维黑磷纳米片或者黑磷量子点的稳定性问题依然是一个极其重要的研究课题。然而，如果黑磷能够形成三维结构，诸如凝胶/气凝胶、海绵状结构等，不仅能够解决黑磷的稳定性问题，而且能够充分发掘黑磷的潜在应用，诸如在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、铝离子电池、水处理、半导体、光电、光热、医学等领域中的应用。因此，开发一种基于黑磷的气凝胶非常重要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶具有高弹性、高回复性和高导电性，且具有十分优异的稳定性，其丰富了黑磷的产品形式，拓展了黑磷的应用范围。第一方面，本专利技术提供了一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶包括石墨烯三维骨架、以及负载在所述石墨烯三维骨架上的黑磷纳米片和含硫离子液体，其中所述黑磷纳米片被所述含硫离子液体包裹，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶具有三维多孔网状结构。由于黑磷纳米片之间相互作用较弱，无法通过自组装行为来搭建纯黑磷纳米片的凝胶，所以需要借助一种三维多孔材料作为载体来形成凝胶。而石墨烯的强疏水性、石墨烯片层之间的π-π堆积作用以及受限空间的影响，石墨烯容易发生自组装行为形成石墨烯水凝胶，并可作为载体而负载/吸附其它纳米无机材料。本专利技术的石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，以石墨烯三维骨架作为载体，其中，含硫离子液体的阳离子(带正电荷)与黑磷纳米片具有一定的“阳离子-n电子”的相互作用，从而使得黑磷纳米片被含硫离子液体所包覆，这不仅阻止了黑磷纳米片之间的团聚并显著提高了黑磷纳米片的分散性，且大大提高了黑磷纳米片的稳定性，避免了氧气和水对黑磷纳米片的降解作用。另外，含硫离子液体还与石墨烯表面存在“阳离子-π/π-π”相互作用，使得黑磷纳米片能够吸附在石墨烯的表面，从而能够最终形成均一、稳定的石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶。优选地，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶的气孔率为70％-94％。本申请中所述石墨烯三维骨架是指石墨烯自组装后形成的三维结构。优选地，所述石墨烯三维骨架与黑磷纳米片的质量比为1：(0.375-8)。进一步优选地，所述石墨烯三维骨架与黑磷纳米片的质量比为1：(2.5-8)。优选地，所述石墨烯三维骨架与含硫离子液体的质量比为1：(25-2000)。进一步优选地，所述石墨烯三维骨架与含硫离子液体的质量比为1：(250-2000)。优选地，所述黑磷纳米片与含硫离子液体的质量比为1：(6.25-666.7)。进一步优选地，所述黑磷纳米片与含硫离子液体的质量比为1：(100-666.7)。本申请中，所述含硫离子液体是指构成该离子液体的阳离子中含有硫元素。优选地，所述含硫离子液体的阳离子为锍盐类阳离子，结构式如下式(Ⅰ)所示：(Ⅰ)，其中，R1、R2、R3分别独立地选自碳原子数为1-20的烷基。所述含硫离子液体具有良好的导电性、热稳定性以及一定的生物相容性，有望在所得二维层状多孔黑磷材料的后续应用中发挥特定的协同作用。优选地，所述R1、R2、R3中的至少一个为碳原子数为5-20的烷基。进一步优选地，所述锍盐类阳离子选自三乙基锍阳离子，三丙基锍阳离子，三正丁基锍阳离子，三戊基锍阳离子，三正己基锍阳离子，三正癸基锍阳离子，三(正十二烷基)锍阳离子，三(正十六烷基)锍阳离子，二(乙基)甲基锍阳离子，二(丁基)甲基锍阳离子，二(正己基)甲基锍阳离子，二(正辛基)甲基锍阳离子，二(正十二烷基)甲基锍阳离子和三(正二十烷基)锍阳离子中的一种或多种。优选地，所述含硫离子液体的阴离子选自氟离子，氯离子，溴离子，硫酸根，硫酸氢根，碳酸根，磷酸根，甲苯磺酸根，磷酸二氢根，磷酸二乙酯基，磷酸氢二根，硝酸根，甲基硫酸根，甲基磺酸根，氯铝酸根，六氟磷酸根，四氟硼酸根，三氟甲基磺酸根，硫氰酸根，乙酸根，双(2,4,4-三甲基戊基)次膦酸根，双(丙二酸根合)硼酸根，硼酸根，双氰胺基，氯铝酸根，双(草酸根合)硼酸根，双(三氟甲基)亚胺基，双(三氟甲烷磺酰)亚胺基，双(邻苯二甲酸根合)硼酸根，溴氯酸根，癸基苯磺酸根，二氯铜酸根，双(五氟乙基)次膦酸根，双(水杨酸根合)硼酸根，双(三氟甲烷磺酰基)甲烷基，(十二烷基)苯磺酸根，二乙基膦酸根，硫酸乙酯基，磺酸乙酯基，四氰基硼酸根，四(硫酸氢根合)硼酸根，四(甲基硫酸根合)硼酸根，三(五氟乙基)三氟磷酸根和三氟乙酸根中的一种或多种。本专利技术第一方面提供的石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，其以石墨烯三维骨架为载体，载体上负载含硫离子液体包裹的黑磷纳米片，该石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶具有高弹性、高回复性和高导电性，且黑磷纳米片被包覆于所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶的本体之中，未暴露在空气中，可免于被氧化，具有十分优异的稳定性。所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶拓展了黑磷的产品形式，便于黑磷材料的回收再利用，有望应用在能源(铝离子电池、太阳能电池、锂离子电池等)、催化、水处理、光电和光热等领域中。第二方面，本专利技术提供了一种如本专利技术第一方面所述的石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将含有黑磷纳米片和含硫离子液体的溶液与氧化石墨烯水溶液、以及还原剂混合搅拌均匀，得到混合溶液；(2)将所述混合溶液在无氧条件下于75-100℃进行水浴加热，反应1-3小时，反应结束后，得到石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合湿凝胶；(3)将所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合湿凝胶依次置于亲水性有机溶剂和水进行纯化，再经冷冻干燥，得到石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶。本专利技术中，所述含有黑磷量子点和含硫离子液体的溶液的制备方式不限，可以是采用如下方式制备得到：将块状黑磷、含硫离子液体按质量比为1：(1-200)混合后进行研磨，向研磨所得混合物中加入亲水性有机溶剂，并进行探头式超声2-6h，离心，收集上清液，得到所述含有黑磷纳米片和含硫离子液体的溶液。进一步优选地，所述块状黑磷与含硫离子液体的质量比为1：(20-200)。进一步优选地，所述含硫离子液体的质量与所述亲水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，其特征在于，包括石墨烯三维骨架、以及负载在所述石墨烯三维骨架上的黑磷纳米片和含硫离子液体，其中所述黑磷纳米片被所述含硫离子液体包裹，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶具有三维多孔网状结构。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，其特征在于，包括石墨烯三维骨架、以及负载在所述石墨烯三维骨架上的黑磷纳米片和含硫离子液体，其中所述黑磷纳米片被所述含硫离子液体包裹，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶具有三维多孔网状结构。2.如权利要求1所述的石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，其特征在于，所述石墨烯三维骨架与黑磷纳米片的质量比为1：(0.375-8)；所述黑磷纳米片与含硫离子液体的质量比为1：(6.25-666.7)。3.如权利要求1所述的石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，其特征在于，所述石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶的气孔率为70％-94％。4.如权利要求1所述的石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶，其特征在于，所述含硫离子液体的阳离子为锍盐类阳离子，结构式如下式(Ⅰ)所示：其中，R1、R2、R3分别独立地选自碳原子数为1-20的烷基。5.一种石墨烯/黑磷纳米片/含硫离子液体复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将含有黑磷纳米片和含硫离子液体的溶液与氧化石墨烯水溶液、以及还原剂混合搅拌均匀，得到混合溶液；(2)将所述混合溶液在无氧条件下于75-100℃进行水浴加热，反应1-3小时，反应结束后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晗，邢晨阳，张家宜，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44