阅读说明：本技术 一种三元金属原子晶体氢化制备二维材料的方法 (Method for preparing two-dimensional material by hydrogenation of ternary metal atom crystal ) 是由 封伟 张鑫 王宇 赵付来 冯奕钰 李瑀 于 2018-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种三元金属原子晶体氢化制备二维材料的方法,将Ga粉、Ge粉和Li片封装于真空石英管中,于充满氩气的真空管式炉中退火得到LiGaGe晶体前驱体,取出前驱体置于管式炉中暴露在H<Sub>2</Sub>环境中,再次退火得到二维材料前驱体LiGaGeH,用四氟胶带反复撕粘,即可得到二维材料2D-LiGaGeH。其体相材料具有0.06eV光学带隙,随材料层数的逐渐减少,带隙逐渐增大,在光电器件、光催化等方面具有较大应用前景。(The invention discloses a method for preparing a two-dimensional material by hydrogenation of a ternary metal atomic crystal, which comprises the steps of packaging Ga powder, Ge powder and a Li sheet in a vacuum quartz tube, annealing in a vacuum tube furnace filled with argon to obtain a LiGaGe crystal precursor, taking out the precursor, placing the precursor in the tube furnace, and exposing the precursor in a H atmosphere 2 And in the environment, annealing again to obtain a two-dimensional material precursor LiGaGeH, and repeatedly tearing and adhering by using a tetrafluoro adhesive tape to obtain the two-dimensional material 2D-LiGaGeH. The bulk phase material has an optical band gap of 0.06eV, and the band gap gradually increases with the gradual reduction of the number of layers of the material, so that the bulk phase material has a wide application prospect in the aspects of photoelectric devices, photocatalysis and the like.)

一种三元金属原子晶体氢化制备二维材料的方法

技术领域

本发明属于一种新型二维材料前驱体的氢化制备二维材料，更加具体地说，具体涉及对三元原子晶体LiGaGe进行氢化得到LiGaGeH从而制备二维层状材料的简单方法。

背景技术

继石墨烯之后，有“无机石墨烯”之称的过渡金属硫族化合物(2DLMCs)，基于其优异的光学性能，以及略低于石墨烯的载流子迁移率，在光电子、催化、能源等方面具有巨大的应用潜力，受到研究人员的广泛关注。如近几年，被广泛研究的类石墨烯结构且具有可调控带隙的二维层状过渡金属硫化合物(TMDCs：MoSe₂、WS₂等)，Ⅲ-Ⅳ族化合物(GeS、GeSe等)及其相关的异质结。而相比于二元金属晶体，三元晶体的制备相对更困难，包括难以均匀共熔以及难以确定共熔点等问题，包括其后续的进一步修饰处理等，存在诸多问题，因而相关报道较少。1974年，W Bockelmann等人首次研究了LiGaGe晶体结构，之后2008年，UlrichHaussermann等人通过电弧重熔制备了三元金属前驱体，氢化后得到了四元晶体AeGaEH(Ae：Ca，Sr，Ba；E：Si，Ge，Sn)，并进行了一系列研究。但这些制备方法大都比较复杂，且涉及设备大都比较昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三元金属原子晶体氢化制备二维材料的方法，针对三元金属前驱体进行氢化，从三元晶体前驱体入手进而简单制备新型二维材料，即从二维材料制备路径出发，采用三元晶体以制备性能更佳的二维材料。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种三元金属原子晶体氢化制备二维材料的方法，按照等摩尔比将Ga、Ge、Li三种金属进行真空封装和处理以得到GaGeLi晶体，由20—25摄氏度在350—450min内升至1000—1100℃并维持1000—1200min再以0.5—3℃/min降温至20—25摄氏度，得到三元金属原子晶体前驱体；将三元金属原子晶体前驱体GaGeLi置于氢气气氛中进行处理得到二维材料前驱体GaGeLiH，自20—25摄氏度以每分钟1—5摄氏度的升温速度升温至200—600摄氏度并保温20—80小时，再自然冷却至室温20—25摄氏度；使用四氟胶带反复撕粘，得到2D-LiGaGeH层状材料。

在上述技术方案中，将Ga、Ge、Li三种金属进行真空封装和处理时，真空度达到0.1MPa以下。

在上述技术方案中，将Ge、Ge、Li三种金属进行真空封装和处理时，由20—25摄氏度在380—400min内升至1000—1050℃并维持1100—1200min再以0.5—1℃/min降温至20—25摄氏度。

在上述技术方案中，将三元金属原子晶体前驱体GaGeLi置于氢气气氛中进行处理得到二维材料前驱体GaGeLiH，自20—25摄氏度以每分钟1—3摄氏度的升温速度升温至400—600摄氏度并保温24—72小时，再自然冷却至室温20—25摄氏度。

在上述技术方案中，将三元金属原子晶体前驱体GaGeLi置于氢气气氛中进行处理时，真空度为50—100bar，优选60—80bar。

本发明的技术方案按比例在石英管中封装Ga、Ge、Li金属，置于真空管式炉中，设定程序温度，退火得到三元金属前驱体LiGaGe晶体，取出前驱体置于管式炉中暴露在H₂环境中，设定程序温度，再次退火得到二维材料前驱体LiGaGeH，用四氟胶带反复撕粘，即可得到二维材料2D-LiGaGeH。相比于现有技术，本文从LiGaGe三元原子晶体入手，对其进行氢化处理，得到LiGaGeH四元前驱体，经过四氟胶带反复撕粘，得到新型二维材料，针对LiGaGe进行了氢化处理后，用于制备二维材料的新路径。

附图说明

图1为本发明技术方案所得LiGaGe的晶体结构示意图。

图2为本发明技术方案所得LiGaGe的XRD图谱。

图3为本发明技术方案所得LiGaGeH的红外光谱谱图。

图4为本发明技术方案所得LiGaGeH体相材料的扫描电镜图。

图5为本发明技术方案所得不同层数LiGaGeH的紫外-可见吸收光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的说明。下面给出本发明的实施例，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实例1

手套箱中依次称取10mmolGa(粉料)、10mmolGe(粉料)和10mmolLi(片料)，依次加入石英管中，使用真空熔封装装置进行熔封，真空管式炉中进行烧结，400min由常温(20—25摄氏度)升至1000℃，维持1200min后，以0.5℃/min降温至常温(20—25摄氏度)，得到三元金属原子晶体前驱体。取出前驱体置于管式炉中，暴露在H₂环境中，80bar，自常温(20—25摄氏度)以每分钟1—5摄氏度升温至200℃维持24h后降至常温(20—25摄氏度)，用四氟胶带反复撕粘，得到2D-LiGaGeH层状材料。

实例2

手套箱中依次称取10mmolGa、10mmolGe和10mmolLi，依次加入石英管中，使用真空熔封装装置进行熔封，真空管式炉中进行烧结，400min由常温升至1100℃，维持1000min后，以0.5℃/min降温至常温。取前驱体置于管式炉中，暴露在H₂环境中，60bar，由常温升至500℃，维持20h后降至常温，用四氟胶带反复撕粘，得到2D-LiGaGeH层状材料。

实例3

手套箱中依次称取10mmolGa、10mmolGe和10mmolLi，依次加入石英管中，使用真空熔封装装置进行熔封，真空管式炉中进行烧结，400min由常温升至1000℃，维持1150min后，以0.5℃/min降温至常温。取出前驱体置于管式炉中，暴露在H₂环境中，80bar由常温升至550℃，维持80h后降至常温，用四氟胶带反复撕粘，得到2D-LiGaGeH层状材料。

实例4

手套箱中依次称取10mmolGa、10mmolGe和10mmolLi，依次加入石英管中，使用真空熔封装装置进行熔封，真空管式炉中进行烧结，350min由常温升至1100℃，维持1200min后，以3℃/min降温至常温。取出前驱体置于管式炉中，暴露在H₂环境中，100bar由常温升至500℃，维持24h后降至常温，用四氟胶带反复撕粘，得到2D-LiGaGeH层状材料。

实例5

手套箱中依次称取10mmolGa、10mmolGe和10mmolLi，依次加入石英管中，使用真空熔封装装置进行熔封，真空管式炉中进行烧结，450min由常温升至1100℃，维持1000min后，以1℃/min降温至常温。取出前驱体置于管式炉中，暴露在H₂环境中，50bar，由常温升至400℃，维持72h后降至常温，用四氟胶带反复撕粘，得到2D-LiGaGeH层状材料。

实例6

手套箱中依次称取10mmolGa、10mmolGe和10mmolLi，依次加入石英管中，使用真空熔封装装置进行熔封，真空管式炉中进行烧结，380min由常温升至1050℃，维持1100min后，以1℃/min降温至常温。取出前驱体置于管式炉中，暴露在H₂环境中，60bar，由常温升至600℃，维持48h后降至常温，用四氟胶带反复撕粘，得到2D-LiGaGeH层状材料。

以实施例6制备材料为例，如附图1—5所示，采用本发明技术方案成功制备2D-LiGaGeH层状材料，氢化后所得产物，H接在LiGaGe上，测定红外谱图，其中在1900cm_-1附近存在Ge-H伸缩振动，在500cm_-1附近存在摇摆振动。使用紫外-可见吸收光谱中对不同层数进行了光学带隙测定，发现体相材料带隙远远低于1eV，随层数逐渐减少，带隙逐渐增大，得到单层GeTeH时，带隙达到0.98eV(已经达到1eV)。

根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现2D-LiGaGeH层状材料的制备且表现出与实施例基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。