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構、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，近年來受到了研究者們的廣泛關注，在儲能、催化、太陽能電池、生物傳感等很多領域擁有廣闊的應用前景。特別地，早在2014年就有理論報道預測黑磷可以應用于光催化產(chǎn)氫，但是文獻中并沒有實驗上的報道。阻礙黑磷應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，同時具有獨特的分子結構，電子結構和物理化學性質(zhì)，如將其與黑磷納米片進行雜化，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，集中于發(fā)展新的方法制備富勒烯通過共價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，主要開展了以下三個方面的工作:
　　(1

3、)發(fā)展了利用機械化學法制備少層黑磷納米片的新方法并首次從實驗上證實了其在可見光下具有光催化產(chǎn)氫活性。以塊體黑磷為原料，以無水LiOH粉末為添加劑，采用簡便且環(huán)境友好的固相機械球磨法成功制備了少層黑磷納米片（簡寫為BP-BM）。通過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。進一步地，研究了所制備的BP-BM的光催化產(chǎn)氫性能，在沒有任何助催化劑參與的情況下，其在可見光下平均產(chǎn)氫速率達到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，導帶底能級相比于塊體黑磷更負，更容易還原H+產(chǎn)生H2，而價帶頂能級更正，使得電子和空穴不易復合，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，在沒有任何添加劑的條件下，利用固相機械球磨法成功制備了C60分子共價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（簡寫為BP-C6

5、0）。經(jīng)過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P-C鍵共價連接在黑磷納米片的邊緣。為了驗證C60的引入對黑磷納米片穩(wěn)定性的影響，對比研究了BP-C60雜化材料與上述不引入C60條件下單獨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。在此基礎上，進一步將BP-C60雜化材料應用于光電化學和光催化降解染料污染物中。對比研究表明BP

6、-C60雜化材料相對于BP-BM以及經(jīng)簡單物理混合而得到的BP/C60混合物而言光電流響應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和光催化降解染料的活性。
　　(3)設計并通過有機反應制備了一種C60分子通過芳基橋連到黑磷納米片表面的BP-C60雜化材料（簡寫為BP-Azide-C6