[發(fā)明專利]一種超聲輔助化學(xué)插層制備二硫化鉬納米片的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410512418.0
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104310482A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宇文力輝;汪聯(lián)輝;于歡;張琦;張玉倩
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: C01G39/06
• 分類號: C01G39/06;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超聲輔助化學(xué)插層制備二硫化鉬納米片的方法，屬于納米材料的制備技術(shù)，特別是涉及化學(xué)插層實現(xiàn)二硫化鉬納米片制備的方法。

背景技術(shù)

二硫化鉬是一種具有代表性的二維過渡金屬硫族化合物。該類層狀化合物具有獨特的硫族元素-金屬元素-硫族元素的“三明治”結(jié)構(gòu)，其中層內(nèi)的金屬原子與硫族元素原子采用較強(qiáng)的共價鍵結(jié)合，而層與層之間依靠較弱的范德華作用力結(jié)合。由于具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，二硫化鉬被應(yīng)用于固體潤滑、加氫脫硫催化等領(lǐng)域。

由于過渡金屬硫族化合物具有二維層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)其幾何尺寸，尤其是厚度減小到納米尺度范圍內(nèi)時，受到量子限域等效應(yīng)影響，表現(xiàn)出一系列獨特的光電性質(zhì)。比如，塊體二硫化鉬是間接帶隙半導(dǎo)體，而單層二硫化鉬則是直接帶隙的半導(dǎo)體，其能帶隙為1.8eV，并具有顯著的光致熒光現(xiàn)象，從而成為一種新型的二維半導(dǎo)體納米材料。相對于沒有能帶隙的石墨烯，單層二硫化鉬具有直接帶隙，而且載流子傳輸速率較高，非常適于場效應(yīng)晶體管、光探測器、太陽能電池等光電子器件。此外，單層或者數(shù)層的二硫化鉬納米片在新能源、生物傳感、光電化學(xué)催化、疾病治療等領(lǐng)域都獲得了重要應(yīng)用。

目前用于制備二硫化鉬納米片的方法主要有機(jī)械剝離法、液相剝離法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法、膠體化學(xué)法、化學(xué)插層法、電化學(xué)插層法等。其中，機(jī)械剝離法和CVD法都存在難以批量生產(chǎn)的問題；液相剝離法操作簡單，但是難以得到較薄的納米片；膠體化學(xué)法的產(chǎn)量較高，但是可控性和重復(fù)性較差；電化學(xué)插層法制備的二硫化鉬納米片較薄，但放電過程可能導(dǎo)致二硫化鉬分解，且制備工藝復(fù)雜，產(chǎn)量較低。例如文獻(xiàn)Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50,11093-11097中報道的電化學(xué)鋰插層法可制備單層或數(shù)層的二維過渡金屬硫化合物納米片，但是該方法需要構(gòu)建鋰電池，對工藝提出了較高的要求，單次反應(yīng)產(chǎn)量在毫克級，不易大批量生產(chǎn)。相對以上幾種方法，傳統(tǒng)的化學(xué)插層法操作較為簡單，適用性較廣，但是反應(yīng)時間較長，一般需要反應(yīng)48h；或者反應(yīng)條件較苛刻，需要高溫、高壓，因而限制了其應(yīng)用。例如，專利CN103480856A報道了將二硫化鉬粉末與丁基鋰的混合液磁力攪拌進(jìn)行化學(xué)插層，然后通過與水反應(yīng)從而制備二硫化鉬納米片的方法，能剝離出較薄的片層，但是反應(yīng)時間相對較長，需要48h。專利CN103833081A報道了一種需要在50～150℃加熱下反應(yīng)0.5～12h的化學(xué)插層法，雖然能夠獲得較薄的二硫化鉬納米片層，但是該方法反應(yīng)時間長，而且還需要較高的反應(yīng)溫度，使得反應(yīng)具有一定危險性；專利CN103803651A報道的化學(xué)插層法需要將二硫化鉬與碳酸鋰在200℃下反應(yīng)48h，存在反應(yīng)時間長、反應(yīng)溫度與壓力高等不足，而且所得二硫化鉬片層較厚。

相對于傳統(tǒng)的化學(xué)插層法，本發(fā)明利用超聲加速二硫化鉬的化學(xué)插層過程，不僅反應(yīng)時間大大縮短，而且單層或數(shù)層二硫化鉬納米片的產(chǎn)率更高，同時反應(yīng)無需高壓裝置，反應(yīng)條件溫和，制備工藝簡單，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種超聲輔助化學(xué)插層制備二硫化鉬納米片的方法，該方法反應(yīng)速度快，反應(yīng)產(chǎn)率高，反應(yīng)條件溫和，能夠有效解決現(xiàn)有二硫化鉬納米片制備方法的速度慢、產(chǎn)率低、條件苛刻、操作復(fù)雜等問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種超聲輔助化學(xué)插層制備二硫化鉬納米片的方法，包括如下步驟：

步驟1：將二硫化鉬粉末和正丁基鋰在高純氬氣的保護(hù)條件下，室溫下超聲0.3～3h。

步驟2：除去未反應(yīng)的正丁基鋰，得到鋰插層二硫化鉬粉末，加入預(yù)先除氧的超純水，在超聲條件下反應(yīng)0.5～2h，剝離得到二硫化鉬納米片的粗產(chǎn)物。

步驟3：量取一定量乙醇，將反應(yīng)所得二硫化鉬納米片與乙醇配成懸浮液，在10000～26000rpm轉(zhuǎn)速條件下離心5～20min，棄去上層清液，收集離心管底部產(chǎn)物；重復(fù)以上步驟，對二硫化鉬納米片重新洗滌一次，保留離心管底部的產(chǎn)物。

步驟4：量取一定量的超純水，與所得二硫化鉬納米片配成懸浮液，在2000～8000rpm轉(zhuǎn)速條件下離心10～40min，棄去沉淀，將上層產(chǎn)物在10000～26000rpm的條件下離心10～100min，棄去上層清液，保留底部的分離產(chǎn)物。將產(chǎn)物分散到一定量超純水中，重復(fù)以上離心純化步驟，得到最終產(chǎn)物。

上述制備方法中步驟1中二硫化鉬粉末和正丁基鋰摩爾比為：1:1～12。

上述制備方法中步驟3中二硫化鉬納米片與乙醇配成5～20mg/ml的懸浮液。