电化学阴极剥离制备少层磷烯及其在钠离子电池中的应用探索

褶皱二维层状结构的少层黑磷(磷烯),作为后石墨烯时代研究的焦点,具有直接能带间隙、各向异性、超高的理论比容量(储钠容量2596 mAh g-1)等特点,在光电器件和储能器件中具有重大应用前景。目前用来制备磷烯的方法主要是液相剥离,但其耗时长(几至十几个小时)、产率低并且易导致晶体缺陷,严重阻碍了磷烯基材料的发展。电化学阴极剥离是一种通过施加电压趋势将阳离子插入到二维材料层间,使其在液体电解液中产生结构膨胀从而得到少层二维材料的一种方法,这种方法具有高效、可控、可扩展等优点。

近日,中南大学化学化工学院纪效波教授团队首次将电化学方法引入到磷烯的制备中,以N,N-二甲基甲酰胺为电解液,季铵盐为电解质,高效地制备了大面积的、层数可调控的少层磷烯。剥离的时间约为半小时,平均尺寸约为50平方微米,通过电压的调控可以得到约0.75纳米(约两层)的磷烯。本工作通过三电极体系循环伏安法和计时电流法确定了黑磷的剥离电压的要求。将在不同电压条件剥离的少层磷烯进行了光致发光、原位拉曼、原子力显微镜等测试,证实了工作电压对少层磷烯的调控作用。在-5V电压下剥离制备的磷烯直接作为钠离子电池的负极材料,在100 mA g-1的电流密度下最高可以达到1968 mAh g-1的比容量,循环50圈后仍能保持1500 mAh g-1左右的比容量,并且具有优良倍率性能。

本研究提出了一种高效的电化学制备少层磷烯的方法,为磷烯基材料的发展进行了有益的探索。相关工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201702372),第一作者为中南大学化学化工学院硕士生黄兆东。