[發明專利]一種單層或少層二硫化鉬納米材料的制備方法

有效

• 申請號: 201610144310.X
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105668631B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發明（設計）人: 胡平;王快社;楊帆;胡卜亮;宋瑞;陳震宇;李秦偉;劉漫博
• 申請（專利權）人: 西安建筑科技大學
• 主分類號: C01G39/06
• 分類號: C01G39/06;B82Y30/00
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所61216
• 代理人: 李婷

技術領域

本發明屬于金屬鉬技術領域，涉及二硫化鉬，具體涉及一種單層或少層二硫化鉬納米材料的制備方法。

背景技術

由單層或少層二硫化鉬構成的類石墨烯二硫化鉬(Graphene-like MoS₂)是一種具有類似石墨烯結構和性能的新型二維(2D)層狀化合物，近年來以其獨特的物理、化學性質而成為新興的研究熱點。單層或少層二硫化鉬是由六方晶系的單層或多層二硫化鉬組成的具有“三明治夾心”層狀結構的二維晶體材料，單層二硫化鉬由三層原子層構成，中間一層為鉬原子層，上下兩層均為硫原子層，鉬原子層被兩層硫原子層所夾形成類“三明治”結構，鉬原子與硫原子以共價鍵結合形成二維原子晶體；少層二硫化鉬由若干單層二硫化鉬組成，一般不超過五層，層間存在弱的范德華力，層間距約為0.65nm。

作為一類重要的二維層狀納米材料，單層或少層二硫化鉬以其獨特的“三明治夾心”層狀結構在潤滑劑、催化、能量存儲、復合材料等眾多領域應用廣泛。相比于石墨烯的零能帶隙，類石墨烯二硫化鉬存在可調控的能帶隙，在光電器件領域擁有更光明的前景；相比于硅材料的三維體相結構，類石墨烯二硫化鉬具有納米尺度的二維層狀結構，可被用來制造半導體或規格更小、能效更高的電子芯片，將在下一代的納米電子設備等領域得到廣泛應用。

單層或少層二硫化鉬在熱、電、光、力學等方面的性質及其在光電子器件領域的潛在應用引起了科研人員的廣泛關注。然而，一般的化學、物理法難以制備出具有層狀結構的單層或少層二硫化鉬，目前可以采用的方法主要有：微機械力剝離法、鋰離子插層法、液相超聲法等“自上而下”的剝離法，以及高溫熱分解、氣相沉積、水熱法等“自下而上”的合成法。

在“自上而下”的制備方法中，微機械力剝離法以其操作相對簡便且剝離程度高是目前應用最為成熟的方法，它能得到單層二硫化鉬且剝離產物具有較高的載流子遷移率，一般多用于制作場效應晶體管，但它具有制備規模小和可重復性較差缺點。

鋰離子插層法是目前剝離效率最高的方法，它適用范圍廣，多用于二次電池和發光二極管，中國專利如申請號為201310187544.9、201310561235.3、201410059743.6、201410086208.X，利用正丁基鋰等作為插層分子，通過攪拌、溶劑熱等方法對層狀二硫化鉬進行插層，之后進行水解超聲處理獲得二硫化鉬納米片。然而，鋰離子插層法插層處理時需要無氧無水環境，對工業生產環境要求苛刻，且去除鋰離子極易導致單層或少層二硫化鉬的聚集。

液相超聲法則是最新發展出來的方法，它以操作簡單、制備條件相對寬松而正被廣泛應用于光電子器件，申請號為201410081869.3的中國專利將配制的二硫化鉬分散液先后進行低高功率的兩步超聲，剝離制備二硫化鉬納米片。然而液相超聲法需要大功率超聲設備且長時間超聲處理，限制了工業化生產，它的剝離程度和剝離效率均低于前兩種方法，且產物中單層二硫化鉬的含量較低。

申請號為201310704356.0的中國專利公開了采用一種采用液氮對二硫化鉬進行前處理、然后再于NMP中超聲剝離來提高納米片層剝離效率的方法；申請號為201410086208.x的中國專利公開了一種將二硫化鉬于高溫高壓下插層處理，繼而再通過超聲實現剝離的方法；申請號為201110347902.9的中國專利公開了一種采用射流空化技術實現對二硫化鉬納米片層的剝離；申請號為201410717991.5的中國專利公開了一種采用氧化劑氧化后超聲分離得到二硫化鉬納米片層的剝離制備方法。總結這些二硫化鉬納米片層的剝離制備技術，仍存在制備過程周期長、能耗大、剝離效率有待進一步改善等問題。

在“自下而上”的合成法中，化學氣相沉積法應用較多，如申請號為201410087035.3的中國專利將鉬源和硫源置于陶瓷舟中，并將陶瓷舟放在水平管式爐中部，抽真空后，在氬氣保護下高溫制備二硫化鉬納米片。然而，化學氣相沉積法反應溫度高，600℃～850℃，需要惰性氣體保護，反應產物污染環境，損害人體健康，為三廢處理帶來困難。

另外采用水熱法的中國專利如申請號為201210311761.X、201310547151.4、201410361617.6，將鉬酸鹽在含硫化合物溶液中進行水熱處理，清洗干燥后得到不同形貌的二硫化鉬納米片。然而，溶劑熱法涉及到對溫度壓力的調控，對設備要求高，反應周期長，不利用工業化生產。

“自下而上”的合成法，可能是由于二硫化鉬材料結構的高熱和化學穩定性，其研究還處在初級階段，尚存在制備成本高、工藝控制復雜等問題，而且通過合成法獲得類石墨烯二硫化鉬的純度和光、電性質等仍遜色于剝離法。