一种晶态磷纤维的制备方法

本发明涉及晶体材料制备，尤其涉及一种晶态磷纤维的制备方法。

背景技术：

1、磷作为地球上储量巨大且廉价易得的元素之一，在能源等领域具有潜在的应用价值。磷元素存在三种基本的同素异形体，即白磷、红磷和黑磷。白磷由p4分子组成，将白磷进行热处理或者辐照可以转变为无定型红磷。在无定型红磷的基础上进一步热处理或者辐照可以导致结晶化。红磷根据结晶态的不同分为5种类型。其中，i型红磷即无定型红磷，iv型红磷即所谓的纤维磷。采用化学气相传输法(cvt)并选用合适的矿化剂以及输运剂可以实现晶态单质磷的制备。对于红磷纤维，目前仅实现了微米级别的制备，例如中国专利cn113957524a公开了一种微米级别的晶体红磷纤维及其高效制备方法，但尚未实现红磷纤维的厘米级制备，这也就限制了其在电子学、光电子学方面的应用。

2、现有技术中，磷纤维的制备方法大多数采用碘做催化剂或以卤化物作为矿化剂，以商业红磷为原料制备磷纤维。但红磷属于危化品，加大了其在工业大生产的难度。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种高效环保的晶态磷纤维的制备方法。具体而言，金属磷化物为原料、低熔点金属为辅助材料，利用化学气相传输法，实现晶态磷纤维的高效环保制备。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一方面，本发明提供一种晶态磷纤维的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将金属磷化物与低熔点金属混合后压片；

5、(2)真空加热后冷却即得到所述晶态磷纤维；

6、其中，所述低熔点金属为熔点≤500℃的金属。

7、作为优选地实施方式，所述金属磷化物选自锡(sn)基磷化物、锌(zn)基磷化物、铁(fe)基磷化物、钴(co)基磷化物、镍(ni)基磷化物、铜(cu)基磷化物、钼(mo)基磷化物、锰(mn)基磷化物、铌(nb)基磷化物、钛(ti)基磷化物和钒(v)基磷化物中的任意一种或几种；

8、优选地，所述金属磷化物为粉末状，目数大于等于200目；

9、优选地，所述金属磷化物选自snp3、sn3p4、sn4p3、znp2、fep2、cop2、nip2、ni2p2、cup2、mop2、mnp2、nbp2、tip2和vp2中的任意一种或几种。

10、作为优选地实施方式，所述低熔点金属选自ga、in、zn、bi和sn中的任意一种或几种；

11、优选地，所述低熔点金属为粉末状，目数大于等于200目。

12、作为优选地实施方式，所述金属磷化物与低熔点金属的质量比为0.1～3：1。

13、作为优选地实施方式，步骤(1)中，所述混合为球磨或研磨；

14、优选地，所述球磨的球料比为40～80：1；

15、优选地，所述球磨的转速为200～400r/min；

16、优选地，所述球磨的时间为10min～2h。

17、作为优选地实施方式，步骤(1)中，所述压片的压力为0.1～100mpa；

18、优选地，所述压片的保压时间为1～30min。

19、作为优选地实施方式，步骤(2)中，所述真空加热的温度为400℃～600℃；

20、优选地，所述真空加热的保温时间为0.5～100h；

21、优选地，所述真空加热的升温速率为0.1～10℃/min；

22、优选地，所述真空加热的真空度为10-3～100pa；

23、在某些具体的实施方式中，所述真空加热的容器为石英管、陶瓷管或金属管；

24、在某些具体的实施方式中，真空加热可以采取分段式加热或者分区加热的方式，分段式加热可以更加精确的控制某一温度的加热时间，让原料充分反应，提升磷蒸气的浓度，而分区加热可以精准的控制低温区的成核温度，有利于增加磷纤维产量。

25、作为优选地实施方式，步骤(2)中，所述冷却的降温速率为0.3～1.5℃/min。

26、又一方面，本发明提供上述制备方法得到的晶态磷纤维。

27、本发明以金属磷化物为原料，低熔点金属为辅助材料，利用压片法将两者结合在一起，与简单的研磨法相比，这种方法可以使二者的结合更加紧密，有利于降低金属磷化物的分解温度。随后，将得到的片材在真空加热，隔绝空气中的水氧，利用升温使得片材局部低熔点金属熔化与金属磷化物形成固熔体，保证热传导，通过保温阶段实现片材中的金属磷化物完全分解。同时，磷纤维的成核温度也在这个范围为内，所以在保证金属磷化物分解的同时也为磷纤维生长提供了有利条件。

28、本发明具有以下有益效果：

29、1.本发明提供的制备方法无需使用白磷或者红磷等危化品作为磷源参与反应，提高了制备的安全性。同时低熔点金属对磷纤维的生长具有催化作用，使单质磷更倾向于纤维相的转变。且该方法可实现直径可控的厘米级磷纤维制备。

30、2.本发明制备的单质磷纤维材料具有红磷本身的光学、电子学性质，其独特的厘米级长度以及柔软的材质可用于诸如光电器件、电子能源、工业催化、生物医学等领域。

技术特征：

1.一种晶态磷纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属磷化物选自锡基磷化物、锌基磷化物、铁基磷化物、钴基磷化物、镍基磷化物、铜基磷化物、钼基磷化物、锰基磷化物、铌基磷化物、钛基磷化物和钒基磷化物中的任意一种或几种；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低熔点金属选自ga、in、zn、bi和sn中的任意一种或几种；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属磷化物与低熔点金属的质量比为0.1～3：1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合为球磨或研磨；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述压片的压力为0.1～100mpa；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述真空加热的温度为400℃～600℃；

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷却的降温速率为0.3～1.5℃/min。

9.权利要求1-8任一所述的制备方法得到的晶态磷纤维。

技术总结本发明公开了一种晶态磷纤维的制备方法，属于晶体材料制备技术领域。该制备方法，包括如下步骤：(1)将金属磷化物与低熔点金属混合后压片；(2)真空加热后冷却即得到晶态磷纤维；其中，低熔点金属为熔点≤500℃的金属。该方法以金属磷化物为原料，通过加入低熔点金属促进其在高温下的分解反应，析出的磷原子做为磷纤维生长的磷源。本发明提供的制备方法能够实现厘米级磷纤维的制备，且制备过程易于控制、环保高效易操作，合成条件相对温和，有利于实现工业化生产及应用。技术研发人员：王佳宏,陈科臻,黄浩,李阳,姜通通,喻学锋受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/21