[發明專利]一種可控制備單層和少層硫化鉬的方法

在審

• 申請號: 201310676237.7
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN104709892A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 包信和;鄧澆;鄧德會
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C01G39/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 劉陽

技術領域

本發明涉及一種可控制備單層和少層硫化鉬的方法。

背景技術

石墨烯以其獨特的光學、電子學和力學等性質在眾多領域備受關注，與石墨烯類似，近來二維層狀結構的硫化鉬在基礎和應用領域也引起了人們的廣泛研究興趣。單層硫化鉬具有三明治結構，夾層為具有六角點陣帶正電的金屬鉬原子，而上、下層則為具有六角點陣帶負電的非金屬硫原子組成（S.Ciraci?et?al.,J.Phys.Chem.C，116,8983(2012)）。單層或少層硫化鉬具有不同于其體相材料的諸多獨特性質：例如，體相硫化鉬為具有非直接帶隙的半導體，而單層硫化鉬則為具有直接帶隙的半導體（T.F.Heinz?et?al.,Phys.Rev.Lett.，105,136805(2010)）；單層或少層硫化鉬具有比體相硫化鉬更高的楊氏模量（A.Kis?et?al.,ACS?Nano，5,9703(2011)）；單層或少層硫化鉬具有比體相硫化鉬更高的熒光強度（F.Wang?et?al.,Nano?Lett.，10,1271(2010)）等。在催化領域中，單層或少層硫化鉬在一些催化反應中表現出高于體相硫化鉬的催化活性，例如加氫脫硫反應（B.Abrams?et?al.,Catal.Rev.，48,1(2006)）、電解水制氫反應（I.Chorkendorff?et?al.,Science，317,100(2007)）等。因此，簡便、高效、可控地制備單層或少層硫化鉬將有望拓展其在諸多領域中的應用。

然而，與石墨烯類似，無支撐的單層或少層硫化鉬往往趨向于聚集成多層結構，因此，制備穩定無支撐的單層或少層硫化鉬是一個很具挑戰的研究課題。目前報道的制備單層或少層硫化鉬的方法主要有：機械剝離法、液相剝離法、化學氣相沉積法、電化學鋰插層法、等離子體刻蝕法等（H.Zhang?et?al.,Chem.Soc.Rev.，42,1934(2013)），但是這些方法操作一般較為復雜、可控性差、而且不利于宏量制備。

因此，我們開發了一種簡單、易于操作和控制的方法，可以有效地制備出單層和少層硫化鉬。利用該方法得到的硫化鉬具有規整的二維層狀結構，且層數可以控制為單層或少層。在此基礎上，我們進一步拓展了該制備方法，成功地將單層硫化鉬包裹在碳納米管上。該類材料有望在電子器件、光電器件、傳感器、儲能、催化等領域有潛在的應用前景。

發明內容

一種可控制備單層和少層硫化鉬的方法：

（1）將鉬基化合物的水溶液或鉬基化合物和碳納米管混合的水溶液與含硫化合物在惰性氣體保護下密封至高壓釜中；

（2）將（1）中的高壓釜于200-500℃保持1-15小時；

（3）將（2）所得的樣品于堿溶液中處理2-6小時；然后用水和乙醇分別洗滌并抽慮，直至溶液呈中性；

（4）將（3）所得樣品干燥，即得到單層和少層硫化鉬或單層硫化鉬包裹的碳納米管。

所述鉬基化合物可以是鉬酸銨、鉬酸鈉、鉬酸鉀、乙酰丙酮鉬中的一種或兩種以上；

所述含硫化合物可以是二硫化碳、噻吩、丁硫醇、硫氰酸銨、硫氰酸鉀、硫氰酸鈉中的一種或二種以上；

所述鉬基化合物中的鉬原子與含硫化合物中的硫原子的摩爾比為1:1-1:500；

所述鉬基化合物的水溶液或鉬基化合物和碳納米管混合的水溶液中水與鉬基化合物的質量比為0:1-3000:1；

所述鉬基化合物和碳納米管混合的水溶液中鉬基化合物與碳納米管的質量比為5:1-1:5；

所述惰性氣體是氮氣、氬氣或氦氣。

反應溫度通常為250-450℃，較好為250-400℃，最好為300-400℃；保持時間通常為1-10小時，較好為2-8小時，最好為4-6小時。

所述堿溶液可以是氨水溶液（5-35wt.%）、氫氧化鈉溶液（10-50wt.%）或氫氧化鉀溶液（10-50wt.%）。

干燥溫度為60-120℃，干燥時間為6-14小時。

本發明是一種基于溶劑熱的方法，利用鉬基化合物的水溶液與含硫化合物在低溫下直接反應生成。所制備的硫化鉬具有規整的二維層狀結構，且層數為單層或少層。本方法具有簡單，易于操作和控制的特點。

本發明具有如下優點：

1.鉬基化合物可以是鉬酸銨、鉬酸鈉、鉬酸鉀、乙酰丙酮鉬，其來源廣泛，價格低廉。

2.采用一步熱反應的方法，方法簡單。反應溫度相對較低，條件容易控制，易于操作。

3.可實現宏量制備，易于放大生產。

4.硫化鉬的層數可以調控，有望拓展硫化鉬在不同領域中的應用。