Small Structures:液态剥离黑磷制备磷烯的方法

自2004年发现石墨烯以来,二维材料因其导热性、光学透明性、高载流子迁移率和比表面积而在材料科学、生物医学和电气工程等许多领域都受到了关注。黑磷(BP)无毒,是磷热力学最稳定的同素异形体,最早于1914年通过白磷高压(1.2 GPa)和高温(200°C)转化而获得。2014年以来,二维(2D)BP因其新奇的各向异性化学和物理特性而重新获得了关注。

BP的可调节的直接带隙为0.30~2.05 eV,载流子迁移率高(≈1000 cm2  V-1  s-1),电流开/关比适中(104~105)具有机械柔韧性和高达2596 mAh g-1的高理论容量(作为可充电电池阳极时)。在结构上,每层BP都具有褶皱的蜂窝状结构,且BP层通过范德华相互作用粘附在一起。通过不同的剥离方法,这些层可以很容易地分成数层或单层的磷烯。这些独特的晶体结构特征和物理性能使BP在多个领域具有应用前景,例如储能器件、催化剂、场效应晶体管、传感器以及生物医学器件。

佛罗里达国际大学Chunlei Wang等就机理、材料特性和合成方法等方面,综述了基于液态剥离从BP得到磷烯的方法,包括超声处理、电化学阳极和阴极剥离以双极电化学剥离方法,并讨论了其在能量存储设备(如二次电池和超级电容器)中的最新应用。

磷的实际​​电化学性能在很大程度上取决于其制备技术。BP的超声剥离耗时长,导致缺陷浓度增加,且需要使用有毒溶剂。在基于超声的技术中,使用表面活性剂可以诱导净表面电荷,从而稳定磷烯纳米片,是一种很有前途的方法。

与超声处理相比,BP的电化学阳极和阴极剥离更高效,但需要苛刻的环境和磷纳米片的多步制备。在这两种技术中,选择电导率良好的电解质以及合适的嵌入离子,对产生气体量以剥离BP层非常重要。此外,为了实现在储能器件中的应用,必须去除磷表面的溶剂或电解质离子。

在去离子水中操作的不含任何添加剂的BP双极电化学剥落是一种快捷的单步制备技术。剥落的纳米片会电泳沉积在导电基材的表面上。然而,通过双极电化学剥离控制磷纳米片的尺寸、厚度和氧化程度仍存在挑战,引入添加剂可能是一种合理的探索方向。

论文信息:

Liquid‐Based Exfoliation of Black Phosphorus into Phosphorene and Its Application for Energy Storage Devices

Amin Rabiei Baboukani, Iman Khakpour, Vadym Drozd, Chunlei Wang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202000148