一、项目实施情况:
1.项目目标
1)开发出一种稳定纳米黑磷的新方法;
2)明确纳米黑磷稳定性的机制,建立高稳定黑磷烯基复合材料的设计理论和方法。
3)制备出一种高电催化活性的黑磷烯/石墨烯新型纳米复合材料。
2.项目研究过程
时间
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过程记录
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2019 年2月
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复合材料的制备(黑磷烯与氧化石墨烯质量比为1:7,将水作为溶剂,24h光照后,冷冻干燥)
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2019 年2月
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压片,测电导率
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2019 年2月
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电化学剥离制备黑磷烯(50ml硫酸 5v电压,保护气,冰水)
剥离后清洗500转1次取上清,12000转3次取沉淀,水离心洗至中性
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2019 年2月
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复合材料表征(XPS,Raman结果显示,复合材料中黑磷烯峰强度过低,几乎全被氧化)推测1:7质量比,黑磷烯与氧化石墨烯的复核反应较慢24小时后被稳定的量过于少,加大比例或提高反应时间。
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2019 年3月
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剥离制备黑磷烯
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2019 年3月
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复合材料的制备(为了验证反应时间对复合材料制备影响,选择黑磷烯与氧化石墨烯质量比为1:6,制备时分别在光照时间为24h,36h,48h,60h,72h的时候,取出相同量的复合材料,全部制备完成后,冷冻干燥。)
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2019 年3月
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材料的红外表征:不同反应时间的复合材料的表征结果显示:24小时至48小时随时间增加,复合材料还原效果增加显著,48小时至以后,效果增加不明显,几乎与48小时反应时间效果相同。拟定之后采用48小时反应时间。
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2019 年4月
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剥离制备黑磷烯(黑磷0.5g/块*4块,5V电压)离心洗2次
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2019 年4月
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复合材料制备(验证黑磷烯浓度对反映效果影响:6mlGo溶液,浓度为5.44mg/ml,制备两份复合材料,一份黑磷烯与氧化石墨烯质量比为1:2,一份黑磷烯与氧化石墨烯质量比为1:6,光照48h,冷冻干燥)
延长光催化反应时间
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2019 年4月
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高浓度黑磷烯材料(1:2比例)得到0.0874g;低浓度黑磷烯材料(1:6)得0.0465g
低浓度复合材料(1:6)略有板结,猜测可能是这个比例的材料中氧化石墨烯还原效果较低,还原之后仍有部分含氧官能团存在导致
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2019年5月
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高浓度复合材料的储钠性能测试
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2019 年5月
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SEM表征结果显示符合材料上白色板结物质(可能是氧化的黑磷烯在抽滤阶段没清洗干净,可能是未结合的黑磷烯被氧化)抽滤冲洗以后3次
表征结果显示质量比1:2还原效果好于1:6还原效果
初步怀疑以水为溶剂也会让氧化效果加剧,下次准备对比试验且选用质量比1:2。
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2019 年5月
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电催化合成氨性能测试。
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2019 年5月
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复合材料制备(准备制备两份复合材料,1号以水为溶剂制备,2号以酒精为溶剂制备,黑磷烯与氧化石墨烯质量为都比1:2 ,光照48小时)
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2019 年6月
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复合材料的XPS表征:以水为溶剂时,黑磷烯氧化较严重
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2019 年6月
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超纯水洗5到6次,冷干复合材料
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2019 年6月
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SEM结果显示,酒精为溶剂,C/O几乎不变,氧化少,对比之后决定以后改用酒精为溶液
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2019 年7月
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测酒精溶液的复合材料的TEM结果显示Cu较多(铜胶带引入)
以后测TEM对感兴趣部位放大
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2019 年9月
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制备复合材料(高浓黑磷烯复合材料,黑磷烯与氧化石墨烯质量比1:2, ,48h光照)
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2019 年9月
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复合材料Raman 紫外等表征
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2019年 10月
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6批次黑磷剥离
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3.项目成果介绍:
1)开发出了一种全新的高效制备纳米黑磷的方法:
以液氮为插层剂可以制备出黑磷量子点,并且黑磷量子点的横向尺寸约为10
nm。该方法通过震荡将液氮插入黑磷层间,当温度升高时液氮气化的巨大冲击力将黑磷剥离为纳米黑磷。具有绿色环保,省时高效、简单易操作、无杂质引入等优点。
2)开发了一种稳定纳米黑磷的方法:
以氧化石墨烯和黑磷烯为原料制备出石墨烯/黑磷烯纳米复合材料,并发现在紫外光照射条件下,纳米黑磷可以作为催化剂还原氧化石墨烯得到石墨烯/黑磷烯纳米复合材料,通过优化实验条件得到了三维石墨烯基纳米复合材料,并且该复合材料表现出高的稳定性。
3)阐明了黑磷烯的稳定机制:
在紫外光照条件下黑磷烯作为一种光催化剂催化还原氧化石墨烯,还原过程中黑磷烯与氧化石墨烯上的含氧官能团相互作用形成强的P-O-C键,从而从根本上稳定了纳米黑磷。
二、项目创新点与特色:
1)开发出了一种全新的高效制备纳米黑磷的方法:
以液氮为插层剂可以制备出黑磷量子点,并且黑磷量子点的横向尺寸约为10
nm。该方法通过震荡将液氮插入黑磷层间,当温度升高时液氮气化的巨大冲击力将黑磷剥离为纳米黑磷。具有绿色环保,省时高效、简单易操作、无杂质引入等优点。
相比现有的超声剥离法,溶剂热法,电化学剥离法等方法,我们的新方法,不引入有机溶剂作为插层剂,以液氮作为插层剂,环保绿色:并且氮气作为惰性气体,在制备过程中保护纳米黑磷不被氧化,不需要额外制造惰性气氛:液氮制备过后自然气化,所得的纳米黑磷产品纯净度极高;制备条件为震荡,相比其他方法省时高效。
2)开发了一种稳定纳米黑磷的方法:
以氧化石墨烯和黑磷烯为原料制备出石墨烯/黑磷烯纳米复合材料,并发现在紫外光照射条件下,纳米黑磷可以作为催化剂还原氧化石墨烯得到石墨烯/黑磷烯纳米复合材料,通过优化实验条件得到了三维石墨烯基纳米复合材料,并且该复合材料表现出高的稳定性。
相比应用较多的包覆方法,我们的方法以成键的形式从根本上解决了纳米黑磷的易被氧化问题,而相比现有的成键方法,我们以石墨烯与纳米黑磷复合,稳定纳米黑磷的同时,引入导电性好的石墨烯材料,改善纳米黑磷导电性差的问题,方便了后续的应用。
3)阐明了黑磷烯的稳定机制:
在紫外光照条件下黑磷烯作为一种光催化剂催化还原氧化石墨烯,还原过程中黑磷烯与氧化石墨烯上的含氧官能团相互作用形成强的P-O-C键,从而从根本上稳定了纳米黑磷
三、项目成果:
项目申请书中的预期成果及成果提交形式
公开发表论文:2(篇),专利:2(项),调查报告:0(份),软件、著作:0(份)实物:1(件),竞赛获奖:0(次),其它:
项目结题时取得的成果
公开发表论文:4(篇),专利:1(项),调查报告:0(份),软件、著作:0(份)实物:1(件),竞赛获奖:0(次),其它:
项目主要研究成果情况
序号 | 成果名称 (获奖名称及等级) | 成果形式 | 作者(获奖者) | 出版社、发表刊物 或颁奖单位 | 时间(刊期) |
1 | The Preparation of Black Phosphorus Quantum Dots by Gas Exfoliation with the Assistance of Liquid N2 | 文章 | 刘红红(赵震霆参与发表) | Journal of Nanoscience and Nanotechnology | 2020年10月 |
2 | 黑磷基储钠负极材料的研究进展 | 文章 | 张倩(赵震霆,张文强参与发表) | 磷肥与复肥 | 2019年9月 |
3 | 黑磷的矿化法制备及其形成机制研究进展 | 文章 | 侯冉冉(赵震霆,张文强参与发表) | 磷肥与复肥 | 2020年2月 |
4 | 纳米黑磷制备的研究进展 | 文章 | 刘红红(张文强参与发表) | 磷肥与复肥 | 2018年1月 |
5 | 一种掺杂纳米黑磷或黑磷基混合材料的方法 | 专利 | 张倩(赵震霆参与发表) | 昆明同聚专利代理有限公司 | 2020年6月 |
四、研究体会和心得:
经过了为期2年的大学生创新创业训练,我个人的感觉是,我学到的知识以及经验的价值是远远大于我付出的时间和精力的,一个研究项目,从开始的准备,实验探讨,设计,到中间的探索改进,到后面的汇报,整理等等,这些繁杂的过程在我没有去实验室之前是无法体会到的,如何在多篇文献里筛选出自己需要的知识,如何用这些知识对自己实验中不合理的地方进行改进,对自己不懂的地方答疑解惑,实验中出现各种不合理的地方是因为什么,如何解决?如何通过材料的表征结果来改进实验中的不足之处?一切只有自身亲自参与进去的时候才能有最深的感悟与学习。除此之外,还有如何与老师与师兄师姐有效交流,各种仪器的使用方法,严谨的思考方式等等。
当时有一个很有意思的小插曲,有一次复合材料制备的时候,我们准备进行抽滤,取滤纸,在抽滤过程中,我们发现,我们用的那张滤纸竟然溶解了,,这也导致那一次所制备的材料作废掉,当时询问师姐才知道,我们选用的试纸会在酒精中溶解,而我们的材料溶液就是酒精,这个小插曲也为我今后的实验提了一个醒,充足的准备也包括对设备器材的使用条件,不仅仅是注意实验试剂。
如果说不足之处,应该是作为组长,有时候不能很好地协调组员的工作,同时我的个人专业基础和专业知识略有不足。
我很感激廉培超老师,当时他给了我一个能够参与和学到这些的机会,同时在项目进行过程中也给了我许多的帮助指导与建议,感谢张倩师姐与刘红红师姐,在我对实验一窍不通的时候,带我逐渐了解学习相关的知识以及仪器的使用方法等等。
所学到的这一切,我认为也都为将来的研究生生涯打一个坚实的基础。
五、经费使用明细情况:
项目获批总经费:10000(元),项目实际投入经费:10000(元),实际使用资金:10000(元),结余资金:0(元)
项目经费开支情况
名目 | 用途 | 金额(元) | 备注 |
论文版面费 | | | |
专利申请费 | | | |
调研、差旅费 | | | |
打印、复印费 | | | |
资料费 | | | |
试剂等耗材费 | 化学试剂购买以及高纯氩气购买 | 4300 | |
元器件、软硬件测试、小型硬件购置费 | 复合材料的表证 | 5700 | Raman花费900元;XRD花费200元;XPS花费900元;AFM花费500元;透射电镜花费1600元;SEM花费1600元(其中也有制备失败的表征花费) |
其它 | | | |
指导教师意见:
从选题、开题、实施、研究到结题,该小组同学积极主动地参与课题研究活动,能及时将自己的活动过程和情况反馈,与指导老师经常保持联系。该小组同学在赵震霆同学带领下,组内成员能较好地分工合作,体验了研究性学习的基本过程,基本达到研究目的,取得了比较好的研究成果。