一种高效制备砷烯纳米片的方法
阅读说明：本技术 一种高效制备砷烯纳米片的方法 (Method for efficiently preparing arsenic-alkene nanosheets ) 是由 赵飞平 田金 赖心婷 柴立元 闵小波 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高效制备砷烯纳米片的方法,包括：将砷粉和添加剂分散在有机溶剂中,得预混合物；其中,所述砷粉的纯度不小于99.999％,所述添加剂包括氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮、以及胆酸钠中的一种或多种；所述有机溶剂包括氮-甲基吡咯烷酮；将所述预混合物依次进行超声液相剥离处理和离心分离处理,并在所述离心分离处理后取上清液,所述上清液为砷烯纳米片的分散液；此外,本发明中的所述添加剂也可以仅为聚乙烯吡咯烷酮,所述有机溶剂也可以包括氮-氮-二甲基甲酰胺。本发明所提供的制备方法能够提高砷烯纳米片的产量和质量,制备得到少层的砷烯纳米片。(The invention provides a method for efficiently preparing an arsenic alkene nano sheet, which comprises the following steps: dispersing arsenic powder and an additive in an organic solvent to obtain a premix; wherein the purity of the arsenic powder is not less than 99.999 percent, and the additive comprises one or more of sodium hydroxide, polyvinylpyrrolidone and sodium cholate; the organic solvent comprises N-methyl pyrrolidone; sequentially carrying out ultrasonic liquid phase stripping treatment and centrifugal separation treatment on the premix, and taking supernatant after the centrifugal separation treatment, wherein the supernatant is dispersion liquid of arsenic alkene nano sheets; in addition, the additive in the present invention may also be polyvinylpyrrolidone alone, and the organic solvent may also include nitrogen-dimethylformamide. The preparation method provided by the invention can improve the yield and quality of the arsenic-alkene nano-sheets, and the arsenic-alkene nano-sheets with few layers can be prepared.)
技术领域
本发明涉及砷烯材料领域，尤其涉及一种高效制备砷烯纳米片的方法。
背景技术
由于石墨烯等二维材料在电子、催化和生物传感等广泛应用中展现出优异的性能，二维材料在过去几年中得到了广泛的研究。然而，由于石墨烯、硅烯和锗烯属于零带隙电子结构，限制了二维材料后续的高效应用。随后，有研究者发现，当砷烯纳米片的层数减小到双层甚至单层时分别具有0.37eV和2.49eV的带隙结构，同时，少层砷烯展现出的高载流子迁移率、高强度、高光电吸收能力等使得其在晶体管应用中具有较大潜力。
目前砷烯纳米片的制备多采用超声液相剥离的方法，虽然该方法的工艺流程以及所用设备都较为简单，但是，该方法的的产量较低，且难以获得形貌规整的少层砷烯纳米片。
鉴于此，有必要提供一种高效制备砷烯纳米片的方法，以解决或至少缓解上述砷烯纳米片产量低、质量差的缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供了一种高效制备砷烯纳米片的方法，旨在解决上述现有技术中的砷烯纳米片产量低、质量差技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高效制备砷烯纳米片的方法，包括：
将砷粉和添加剂分散在有机溶剂中，得预混合物；其中，所述砷粉的纯度不小于99.999％，所述添加剂包括氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮、以及胆酸钠中的一种或多种；所述有机溶剂包括氮-甲基吡咯烷酮；
将所述预混合物依次进行超声液相剥离处理和离心分离处理，并在所述离心分离处理后取上清液，所述上清液为砷烯纳米片的分散液。
进一步地，所述添加剂为所述聚乙烯吡咯烷酮和所述胆酸钠中的一种或两种。
进一步地，所述砷粉与所述添加剂的质量比为100-250:50-100。
进一步地，所述砷粉与所述添加剂的质量之和:所述有机溶剂的体积＝150-350mg:40ml。
进一步地，所述超声液相剥离处理包括：将所述预混合物在功率为100-130W的超声细胞破碎仪中剥离12-24小时。
进一步地，所述离心处理包括：将所述分散液在2000-8000rpm的转速下离心15-30min。
本发明还提供另一种高效制备砷烯纳米片的方法，包括：
将砷粉和添加剂分散在有机溶剂中，得预混合物；其中，所述砷粉的纯度不小于99.999％，所述添加剂包括聚乙烯吡咯烷酮；所述有机溶剂包括氮-氮-二甲基甲酰胺；
将所述预混合物依次进行超声液相剥离处理和离心分离处理，并在所述离心分离处理后取上清液，所述上清液为砷烯纳米片的分散液。
进一步地，所述砷粉与所述添加剂的质量比为100-250:50-100。
进一步地，所述砷粉与所述添加剂的质量之和:所述有机溶剂的体积＝150-350mg:40ml。
进一步地，所述超声液相剥离处理包括：将所述预混合物在功率为100-130W的超声细胞破碎仪中剥离12-24小时。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明能够提高砷烯纳米片的产量和质量，制备得到少层的砷烯纳米片；通过将砷粉和添加剂一起加入有机溶剂中，所述添加剂能够促进后续的超声液相剥离，从而获得更多的少层砷烯纳米片；并且，所述添加剂选用氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮、以及胆酸钠中的一种或多种，所述有机溶剂选用氮-甲基吡咯烷酮，可以在不影响砷烯纳米片结构性质的情况下，分别将砷烯纳米片的产率提高了27.22％、58.83％、88.89％；此外，所述添加剂选用聚乙烯吡咯烷酮、所述有机溶剂选用氮-氮-二甲基甲酰胺，可以将砷烯纳米片的产率提高129.39％，极大地促进了砷烯纳米片的产量，且在所述有机溶剂为氮-氮-二甲基甲酰胺的情况下，获得的砷烯纳米片的形貌更加规整。而且，本发明所采用的制备方法简单，成本低廉，便于大规模推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明中对比例1制备获得砷烯纳米片的拉曼光谱图；
图2为本发明中对比例1和实施例6制备获得砷烯纳米片的拉曼光谱对比图；
图3为本发明中实施例6制备获得砷烯纳米片的SEM图；
图4为本发明中实施例8制备获得砷烯纳米片的TEM图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。应当知道的是，为了便于理解，本发明的说明书附图中NMP代表氮-甲基吡咯烷酮，DMF代表氮-氮-二甲基甲酰胺。
本发明提供了一种高效制备砷烯纳米片的方法，包括：
1、将砷粉和添加剂分散在有机溶剂中，得预混合物；其中，所述添加剂包括氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮、以及胆酸钠中的一种或多种；所述有机溶剂包括氮-甲基吡咯烷酮；
需注意的是，所述砷粉为高纯砷粉，所述高纯砷粉的纯度应不小于99.999％，另外，作为优选方案，所述添加剂为所述聚乙烯吡咯烷酮和所述胆酸钠中的一种或两种，具体可以只选用所述胆酸钠作为添加剂。
在将所述砷粉和所述添加剂分散在所述有机溶剂的过程中，所述砷粉与所述添加剂的质量比可以为100-250:50-100。所述砷粉与所述添加剂的质量之和:所述有机溶剂的体积可以为150-350mg:40ml；例如：150mg:40mL、200mg:40mL、250mg:40mL、300mg:40mL、350mg:40mL，优选的比例可以为350mg:40mL。
2、将所述预混合物依次进行超声液相剥离处理和离心分离处理，并在所述离心分离处理后取上清液，所述上清液为砷烯纳米片的分散液。
所述超声液相剥离处理包括：将所述预混合物在功率为100-130W的超声细胞破碎仪中剥离12-24小时，优选地为16.5h或18h；所述超声液相剥离处理在循环冷却的环境下进行，一般为零下一摄氏度的环境下进行。
所述离心处理包括：将所述分散液在2000-8000rpm的转速下离心15-30min。具体的转速可以为2000rmp，离心时间可以为30min。
本发明还提供了另外一种高效制备砷烯纳米片的方法，包括：
1、将砷粉和添加剂分散在有机溶剂中，得预混合物；其中，所述添加剂包括聚乙烯吡咯烷酮；所述有机溶剂包括氮-氮-二甲基甲酰胺；
2、将所述预混合物依次进行超声液相剥离处理和离心分离处理，并在所述离心分离处理后取上清液，所述上清液为砷烯纳米片的分散液。
需知道的是，在本方法中，所述砷粉同样为高纯砷粉，所述高纯砷粉的纯度也应当不小于99.999％，所述砷粉与所述添加剂的质量比也可以为100-250:50-100。所述砷粉与所述添加剂的质量之和:所述有机溶剂的体积也可以为150-350mg:40ml；例如：150mg:40mL、200mg:40mL、250mg:40mL、300mg:40mL、350mg:40mL，优选的比例可以为350mg:40mL。
所述超声液相剥离处理也可以包括：将所述预混合物在功率为100-130W的超声细胞破碎仪中剥离12-24小时；优选的剥离时间为16.5h。所述超声液相剥离处理在循环冷却的环境下进行，一般为零下一摄氏度的环境下进行。
所述离心处理也可以包括：将所述分散液在2000-8000rpm的转速下离心15-30min。
应当了解的是，在本发明中，需要依托于传统的超声液相剥离处理，由于单质砷粉末是具有显著层状结构的晶体，因此利用超声在溶液中产生的气泡和空穴，二者发生破裂产生的高能冲击导致三维的层状晶体发生层间的解离，进而可以产生单层或者少层的纳米片材料。
但是，需注意的是，本发明在传统的超声液相剥离的基础上还做了进一步的改进，即在两种方法中均引入了特定的添加剂，并且，在第二种方法中还改变了有机溶剂，借助于加入的添加剂和改变的有机溶剂，晶体层间的作用力减弱且其层间距增大，有效的协助了液相超声剥离的过程。
为了便于对发明做进一步地理解，现举例说明：
对比例1
250mg高纯砷粉加入40mL氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，在-1摄氏度的条件下进行预设时长的超声液相剥离，其中，预设时长为12-24h，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例1
250mg高纯砷粉和100mg氢氧化钠加入40mL氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，在-1摄氏度的条件下进行18h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例2
250mg高纯砷粉和100mg抗坏血酸加入40mL氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，在-1摄氏度的条件下进行18h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例3
250mg高纯砷粉和100mg聚乙烯吡咯烷酮加入40mL氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，在-1摄氏度的条件下进行18h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例4
250mg高纯砷粉和100mg胆酸钠加入40mL氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，在-1摄氏度的条件下进行18h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例5
250mg高纯砷粉和100mg脱氧胆酸钠加入40mL氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，在-1摄氏度的条件下进行18h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例6
250mg高纯砷粉加入40mL氮-氮-二甲基甲酰胺中，在-1摄氏度的条件下进行16.5h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例7
250mg高纯砷粉和100mg胆酸钠加入40mL氮-氮-二甲基甲酰胺中，在-1摄氏度的条件下进行16.5h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例8
250mg高纯砷粉和100mg聚乙烯吡咯烷酮加入40mL氮-氮-二甲基甲酰胺中，在-1摄氏度的条件下进行16.5h的超声液相剥离，将剥离后获得的分散液在2000rpm的条件下进行离心，取其上清液，最终获得砷烯纳米片。
实施例9
数据说明：
1、取对比例1中剥离18h的砷烯纳米片的产率数据，并与实施例1-5的数据进行比对，比对数据详见下表：
组别
产率(％)
产率增量(％)
对比例1
11.61
无
实施例1
14.77
27.22
实施例2
无
无
实施例3
18.44
58.83
实施例4
21.93
88.89
实施例5
10.02
-13.7
通过上表可以得出，实施例1、实施例3、实施例4的砷烯纳米片的产率均高于对比例1，而实施例1中所使用的添加剂为氢氧化钠、实施例3中所使用的添加剂为聚乙烯吡咯烷酮、实施例4中所使用的添加剂为胆酸钠。由此可见，通过添加氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮或胆酸钠可以提高砷烯剥离的产率，并且，聚乙烯吡咯烷酮和胆酸钠的效果尤为突出。
2、取对比例1中剥离16.5h的砷烯纳米片的产率数据，并与实施例6-8的数据进行比对，比对数据详见下表：
组别
产率(％)
产率增量(％)
对比例1
12.35
无
实施例6
18.03
45.99
实施例7
8.9
-27.94
实施例8
28.33
129.39
需知道的是，本发明中，实施例1-5所用数据对应的是18h的剥离时间，而实施例6-8中所用数据对应的是16.5h的剥离时间，主要是因为在实验前期选用的是18h的剥离时间，但是，当有机溶剂改为氮-氮-二甲基甲酰胺时，18h的剥离并不能很好的体现氮-氮-二甲基甲酰胺在砷烯纳米片制备过程中发挥的作用，因此改用16.5h的实验方案进行探索。
通过上表可以得出，实施例6和实施例8均能提高砷烯纳米片的产率，其中，实施例6改变了有机溶剂，将有机溶剂替换为了氮-氮-二甲基甲酰胺，实施例8在替换有机溶剂的基础上，加入了聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂，更进一步地提高了砷烯纳米片的产率，需注意的是，在有机溶剂为氮-氮-二甲基甲酰胺的情况下，胆酸钠并不能提高砷烯纳米片的产率。
另外，需说明的是，为了便于理解，对比例1中不同剥离时间所制备砷烯纳米片的拉曼光谱图如图1所示，图中峰的偏移可以用于证明砷烯纳米片被有效制备；图中的As(5N)代表砷粉的拉曼光谱，5N代表砷粉的纯度为99.999％，SiO2代表基底的拉曼光谱，图中的12h、15h、18h、21h、24h对应于剥离相应时长后所得的砷烯纳米片的拉曼光谱。
另外，对比例1和实施例6的拉曼光谱对比图如图2所示，其中，图2中的16.5h-NMP代表对比例1中剥离16.5h所对应的拉曼光谱、18h-NMP代表对比例1中剥离18h所对应的拉曼光谱、16.5h-DMF代表实施例6中剥离16.5h所对应的拉曼光谱，需知道的是，图2中并未包含基底的拉曼光谱；通过比对图中峰的偏移程度，可以用于说明两种不同的有机溶剂均可实现对砷烯纳米片的有效制备。
为了便于直观的观察本发明中的砷烯纳米片，实施例6所制备的砷烯纳米片如图3所示；实施例8所制备的砷烯纳米片如图4所示，图3和图4中所示的DMF仅用于区分有机溶剂。可以得知，实施例6和实施例8均能成功制备得到形状规整的砷烯纳米片，但是，结合实施例6和实施例8的产率数据，可以得知，实施例8中的方案能够更进一步地提高砷烯纳米片的制备产率。
本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。