一种二维材料的制备方法与流程

本发明涉及一种原子级二维材料液相微波剥离的普适性方法，属于二维材料的制备方法技术领域。

背景技术：

超薄二维(2d)纳米材料是一类新兴的纳米材料，它具有薄膜结构，横向尺寸大于100nm或高达几微米甚至更大，但厚度只有单个或几个原子层厚(通常小于5nm)。首先，在超薄区域，特别是在单层二维纳米材料中，电子仅可在两个维度的非纳米尺度上进行自由运动，使其具有独特的电子特性，这对于凝聚态物理学和电子/光电子的基础研究是非常理想的；其次，强的平面内共价键和原子级的厚度使其优良的机械强度、灵活性和光学透明性，在下一代器件中拥有巨大的潜力；第三，横向尺寸比较大的同时保持原子级的厚度，赋予了它们超高的比表面积，这对于催化和电容器等表界面工程策略的构建具有非常强的吸引力。最后，由于表面原子的高曝光率，使表面改性或功能化、元素掺杂、缺陷、应变或相位工程更加容易地调节材料性质和功能。

目前，二维材料主要有自上而下和自下而上的制备方法。因为块体材料易于合成、成本很低和操控性强等优点，自上而下的液相剥离法已成为二维材料常用的制备方法。液相剥离制备二维材料的方法中，主要有离子插入辅助液体剥离、机械力辅助液体剥离、离子交换辅助液体剥离、氧化辅助液体剥离和选择性刻蚀液体剥离法等。但产量、质量、数量以及产率都离工业化和商业化生产有很长一段距离。

微波是指频率为300mhz～300ghz的电磁波，即波长在1mm～1m之间，能量在1.99×l0^-25-1.99×10^-21j之间的电磁波，由于其强穿透力、长波长和高频率，又被称为超高频电磁波。微波可以使介质损耗因数大的极性溶剂分子每秒发生大约二十四亿五千万次的震动，从而使分子被迅速加热气化。目前，利用这一特性，将其应用于液相剥离领域在国际上尚未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的主要是针对现有技术的不足，提供一种环境友好、工艺简单、适用于工业生产和环境友好的原子级二维材料微波液相剥离方法。本发明制备的原子级二维材料，具有不超过5nm的超薄厚度以及较大尺寸。

为实现上述发明目的，主要采用以下技术方案：

一种原子级二维材料微波液相剥离方法，包括步骤：

(1)将合成或购买的体相材料在液氮中冷冻处理；

(2)将冷冻后的固体分散在有机溶剂中；

(3)上述分散液在微波反应器中冷凝回流，冷却至室温后，离心分离得到原子层级二维材料分散液；

(4)冷冻干燥即可得到原子层级二维材料粉末。

其中，步骤(1)所述的体相材料为氮化碳(g-c3n4)，氮化硼(bn)，石墨(c)或黑磷(bp)；所述体相材料质量为50-150mg，所述冷冻的时间为30-60min。

其中，所述的有机溶剂为异丙醇(ipa)、氮二甲基甲酰胺(dmf)或n-甲基吡咯烷酮(nmp)。在工业生产中，从成本和环境保护考虑下，优选有机溶剂为异丙醇(ipa)。

进一步地，步骤(2)中，所述有机溶剂为用水稀释后的有机溶剂，有机溶剂与水的体积比为0.5-1:1，所述的有机溶剂的用量均为30-50ml。

优选地，步骤(3)中，所述的微波反应器功率为500-700w，所述微波回流的时间为10-20min，所述离心分离的转速为500-5000转/分钟，所述离心时间为3-5min。

更优选地，步骤(4)中，冷冻干燥的温度为零下60-80℃。

本发明所述实验方法，制备得到了二维超薄氮化碳(2dg-c3n4)、二维超薄氮化硼(2dbn)、石墨烯(g)和黑磷烯(2dbp)等。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用微波液相剥离法，具有很强普适性，工艺简单、节能低耗、环境友好、成本较低，适用于工业化大批量生产，具有很高的使用价值。

(2)本发明制备的二维材料，具有超薄厚度(小于5nm)，在催化和电容领域拥有很高的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中微波液相剥离得到的2dg-c3n4的原子力显微镜(afm)图。

图2为实施例2中微波液相剥离得到的2dbn的原子力显微镜(afm)图。

图3为实施例3中微波液相剥离得到的石墨烯的原子力显微镜(afm)图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明进行详细的阐述，而不是限制本发明。

实施例中，所用的材料、试剂等，如无特别说明，均可从商业途径得到。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

实施例1

通过在550℃下煅烧三聚氰胺4h得到体相的g-c3n4。称取50mg体相的g-c3n4于离心管中，加入40ml液氮，保持1h后，分散在50ml与水的体积比为1:1的ipa溶液中，微波(功率为650w)回流20min。上述溶液在3000转/分钟下离心3min，分离得到2dg-c3n4的分散液。零下70℃冷冻干燥得到2dg-c3n4粉体。将上述分散液稀释后滴在云母片上，进行原子力显微镜(afm)表征，片层厚度大约为1nm。

实施例2

称取60mg购买的体相的bn于离心管中，加入45ml液氮，保持0.5h后，分散在40ml与水的体积比为0.5:1的ipa溶液中，微波(功率为700w)回流10min。上述溶液在5000转/分钟下离心5min，分离得到2dbn的分散液。零下70℃冷冻干燥得到2dbn粉体。将上述分散液稀释后滴在云母片上，进行原子力显微镜(afm)表征，片层厚度大约为3nm。

实施例3

称取50mg购买的体相的石墨于离心管中，加入40ml液氮，保持1h后，分散在50ml与水的体积比为1:1的ipa溶液中，微波(功率为700w)回流15min。上述溶液在1500转/分钟下离心3min，分离得到石墨烯的分散液。零下80℃冷冻干燥得到石墨烯粉体。将上述分散液稀释后滴在云母片上，进行原子力显微镜(afm)表征，片层厚度大约为4.5nm。

实施例4

称取50mg购买的体相的黑磷于离心管中，加入30ml液氮，保持1h后，分散在45ml与水的体积比为0.8:1的ipa溶液中，微波(功率为700w)回流20min。上述溶液在3000转/分钟下离心5min，分离得到黑磷烯的分散液。零下80℃冷冻干燥得到黑磷烯粉体。将上述分散液稀释后滴在云母片上，进行原子力显微镜(afm)表征，片层厚度大约为2.5nm。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种原子级二维材料液相微波剥离的普适性方法，属于二维材料的制备方法技术领域。将体相材料在液氮中冷冻30‑60分钟，加入有机溶剂后微波回流10‑20分钟，离心分离得到原子级二维材料分散液，冷冻干燥后即可得到原子级二维材料粉末。本发明利用微波辐射技术，将体相材料直接剥离成大尺寸的原子级二维材料。该方法工艺简单，生产周期短，成本低，普适性强，适合于工业化大批量生产，具有很高的应用前景和使用价值。

技术研发人员：许晖;朱兴旺;李华明;杨金曼
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2017.12.22
技术公布日：2018.05.18