紫磷晶体粉末及其制备方法与应用

本发明涉及功能材料，具体涉及紫磷晶体粉末及其制备方法与应用。

背景技术：

1、与非晶态的红磷相比，晶态磷具有规则的晶体结构，固定可测的带隙和半导体性质，已在能源、光电子、催化、生物医药与环境等领域得到广泛关注与应用。其中，得益于黑磷独特的二维结构和优异的物理化学性质，其在上述领域展现出了突出的性能优势，被认为是一类极具前景的二维半导体材料。紫磷具有与黑磷高度相似的层状结构，理论上应同样具备广阔的应用前景，尤其是在高性能二维半导体材料及器件领域具有很大的应用潜力。此外，紫磷的带隙高于体块黑磷，在宽禁带半导体的领域（如激光调制，红外光电探测器等），具有独特的优势。

2、然而，相关紫磷合成方法普遍依赖高温化学气相传输法，近年来也发展出金属熔剂辅助法和固相热转化的相选择性合成等替代方案，但所有这些方法均需较长的反应时间，长达几天甚至一周，且产率较低，严重制约了紫磷材料的规模化制备与推广应用。此外，传统化学气相传输法所获得的多为块体紫磷单晶，而实际应用端（如生物医药、阻燃、储能、催化等领域）需求的是微纳米尺度的紫磷粉末，直接使用块体单晶不仅需要额外的高能粉碎工序，还容易引入杂质和缺陷，增加生产能耗与应用成本。

3、因此，亟需一种能够将非晶红磷粉末直接快速转化为紫磷晶体粉末的合成方法，以克服相关技术中反应时间过长、产率较低、产物形态与应用需求不匹配等缺陷。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种，紫磷晶体粉末及其制备方法与应用。本发明通过引入特定的碲、碘复合催化体系，显著缩短了反应时间、提高了紫磷产率，同时能够直接得到粉末形态的紫磷晶体，便于规模化应用。

2、本发明的第一方面提供了一种紫磷晶体粉末的制备方法，包括：

3、将非晶红磷、碲、碘的混合物置于反应器中；

4、对所述反应器进行抽真空处理和密封处理；

5、将密封后的所述反应器于进行热处理，以得到所述紫磷晶体粉末。

6、由此，通过引入碲和碘复合催化体系，碲和碘协同作用，显著缩短了紫磷晶体粉末的合成时间，大幅降低生产能耗与时间成本，提高了产率；本发明可直接获得粉末形态的紫磷晶体，避免了相关技术中因产物为块体单晶而需额外高能粉碎的工序，从而减少了杂质引入和晶格缺陷，提高了产物纯度和结晶质量；本发明制备工艺简便、原料易得，所制得的紫磷晶体粉末粒径细小、分散性良好，无需复杂预处理即可通过液相剥离获得紫磷纳米片，适用于光电子器件、催化、阻燃等多种应用场景，具有较高的规模化应用价值。

7、根据本发明的实施方案，上述制备方法还可以进一步包括如下附加技术特征中的至少之一：

8、在一些实施例中，所述热处理包括升温、保温和降温三个阶段；优选的，所述热处理满足以下条件中的至少一种：

9、所述热处理的保温温度为400 ℃~575 ℃，保温时间为0 h~6 h；

10、所述热处理的升温速率为5 ℃/min~10 ℃/min；

11、所述热处理的降温速率为0.2 ℃/min~3 ℃/min。

12、由此，有利于进一步缩短紫磷晶体粉末的合成时间，提产物纯度、结晶度和产率。

13、在一些实施例中，所述非晶红磷、碲与碘的质量比为（5~40）:（0.5~5）:1。由此，有利于在提高催化效率的同时减少原料浪费。

14、在一些实施例中，密封处理后的所述反应器的真空度为1×10-4 pa~10 pa。由此，可以减缓气相传输速率，增加产率。

15、在一些实施例中，所述制备方法满足以下条件中的至少一种：

16、所述反应器的一端的加热温度为400℃~560℃，与其相对的另一端的加热温度为415℃~575℃；

17、在所述热处理之后，所述制备方法还包括：对所述紫磷晶体粉末进行洗涤和真空干燥。

18、由此，有利于去除紫磷晶体粉末中的杂质，提高紫磷晶体粉末的纯度。

19、本发明的第二方面提供了一种紫磷晶体粉末，由前述制备方法制得。由此，所述紫磷晶体粉末纯度高、结晶质量优异，无需粉碎即可直接应用。紫磷晶体粉末的热稳定性优于黑磷，并具有良好的剥离性，易于通过液相剥离获得少层紫磷纳米片，便于应用。此外，所述紫磷晶体粉末具备前述制备方法的全部特征及优点，在此不再赘述。

20、在一些实施例中，所述紫磷晶体粉末为片状结构；

21、优选的，所述片状结构的最大横向尺寸为1 μm~30 μm；

22、优选的，所述片状结构的厚度为0.1 μm~5 μm。

23、由此，所述紫磷晶体粉末的尺寸较小，无需经历块体晶体的高能破碎过程，有利于降低能耗和生产成本。

24、本发明的第三方面提供了一种紫磷二维纳米片，采用前述制备方法制得的紫磷晶体粉末或前述紫磷晶体粉末通过液相剥离工艺得到。由此，该紫磷二维纳米片具有二维半导体的优异的光电性质。此外，所述紫磷二维纳米片具备前述制备方法或紫磷晶体粉末的全部特征及优点，在此不再赘述。

25、在一些实施例中，所述紫磷二维纳米片满足以下条件中的至少一种：

26、所述紫磷二维纳米片为矩形结构；

27、所述紫磷二维纳米片的最大横向尺寸为0.5 μm~3 μm；

28、所述紫磷二维纳米片的厚度为1 nm~100 nm。

29、本发明的第四方面提供了一种如前述制备方法制得的紫磷晶体粉末、或前述紫磷晶体粉末、或前述紫磷二维纳米片在光电、催化、储能、阻燃或生物医药领域中的应用。由此，所述应用具备前述制备方法、或紫磷晶体粉末、或紫磷二维纳米片的全部特征及优点，在此不再赘述。

30、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种紫磷晶体粉末的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括升温、保温和降温三个阶段；优选的，所述热处理满足以下条件中的至少一种：

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述非晶红磷、碲与碘的质量比为（5~40）:（0.5~5）:1。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，密封处理后的所述反应器的真空度为1×10-4 pa~10 pa。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，满足以下条件中的至少一种：

6.一种紫磷晶体粉末，其特征在于，由权利要求1~5任一项所述制备方法制得。

7.根据权利要求6所述的紫磷晶体粉末，其特征在于，所述紫磷晶体粉末为片状结构；

8.一种紫磷二维纳米片，其特征在于，采用权利要求1~5任一项所述制备方法制得的紫磷晶体粉末或权利要求6或7所述紫磷晶体粉末通过液相剥离工艺得到。

9.根据权利要求8所述的紫磷二维纳米片，其特征在于，满足以下条件中的至少一种：

10.一种如权利要求1~5任一项所述制备方法制得的紫磷晶体粉末、或权利要求6或7所述紫磷晶体粉末、或权利要求8或9所述紫磷二维纳米片在光电、催化、储能、阻燃或生物医药领域中的应用。