一种单层二硫化钨纳米片的制备方法与流程

本发明属于二硫化钨纳米材料的合成技术领域，具体涉及一种单层二硫化钨纳米片的制备方法。

背景技术：

二硫化钨与二硫化钼结构相同，都是典型的三明治层状结构，由于其层间相对较弱的范德华力，也可以剥离成单层或少层数的纳米片，被认为是另外一种相当重要的二维纳米片材料，具有独特的物理、化学和电学特性。二硫化钨与二硫化钼相同，都存在三种相态，即1T、2H和3R相。不同的相态的二硫化钨材料所呈现的物理化学特性也不尽相同。例如，2H态材料展现半导体特性，而1T态的二硫化钨材料则呈现出金属特性。虽然单层二硫化钨纳米材料在热、电、光和力学等方面的性质及其在光电子器件领域的潜在应用引起了科研人员的广泛关注。然而，一般的化学、物理法难以制备出纯单层结构的二硫化钨纳米材料。目前有关二硫化钨的合成和应用报道大部分是二硫化钨纳米片、二硫化钨纳米棒以及二硫化钨与碳纤维和石墨烯等的复合物。例如：申请号为201510975198.X的专利公开了一种石墨状二硫化钨纳米片的制备方法；申请号为201610008800.7的专利公开了一种硫化钨纳米棒的制备方法；申请号为201310533441.3的专利公开了类石墨烯二硫化钨纳米片的制备方法；申请号为201510622958.9的专利公开了一种硫化钨/碳纳米纤维/石墨烯复合物的制备方法；申请号为201410065185.4的专利公开了一种二硫化钨纳米薄片的制备方法。这些方法合成的二硫化钨纳米材料尽管在某个维度方向上是纳米级，但都不是单层二硫化钨。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种简单、安全、高效且适合规模化生产的单层二硫化钨纳米片的制备方法，该方法直接以硫代钨酸铵为原料，在300-1200℃的温度范围内热处理后，即可以在乙醇、水等小分子溶剂中自行剥离得到2H相单层二硫化钨纳米片。

本发明为解決上述技术问题采用如下技术方案，一种单层二硫化钨纳米片的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）将硫代钨酸铵在惰性气体保护下于300-1200℃保温1-10h，冷却至室温得到待剥离的2H相二硫化钨块体；

（2）将步骤（1）得到的二硫化钨块体置于离心管中，加入小分子溶剂超声剥离10-72h，然后置于离心机中离心分离沉淀后得到二硫化钨纳米片悬浮液；

（3）将步骤（2）得到的二硫化钨纳米片悬浮液置于离心管中，超声1-10h，然后置于离心机中离心分离沉淀物后得到对应小分子溶剂的2H相单层二硫化钨纳米片悬浮液，其中2H相单层二硫化钨纳米片的厚度小于1nm。

进一步限定，步骤（1）中所述惰性气体为氮气或氩气。

进一步限定，步骤（2）中所述离心机的转速为1000r/min，步骤（3）中所述离心机的转速为4000-20000r/min。

进一步限定，步骤（2）中所述的小分子溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮或N-甲基甲酰胺。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明直接以硫代钨酸铵为原料，通过在较宽温度范围内的热处理可以在水、乙醇等小分子溶剂中超声剥离成2H相单层二硫化钨纳米片，并且可以在这些小分子溶剂中稳定存在；

2、本发明避免了使用价格较高的LiOH、Li₂CO₃等锂盐试剂，节约了锂资源，大大降低了制备成本；

3、本发明合成的2H相单层二硫化钨纳米片可以用于单层硫化钨在光析氢、电催化和储能等领域的研究；

4、本发明工艺操作简单，反应条件温和，所用试剂价格低廉且绿色环保。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的单层二硫化钨的原子力显微图谱；

图2是本发明实施例1制备的单层二硫化钨的X-粉末衍射图谱。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

称取3.48g硫代钨酸铵置于刚玉坩埚中，放置在管式炉中，通氩气保护，程序升温至300℃，保温10h，然后继续通氩气自然降温至室温，得到2H相二硫化钨块体；取100mg二硫化钨块体置于100mL离心管中，加入50mL乙醇，超声分散48h，分散后的悬浮液在转速为1000r/min的离心机上离心1h，将分离沉淀后的悬浮液置于另一个离心管中超声5h，然后在转速为4000r/min的离心机上离心1h，分离沉淀后所得悬浮液即为单层二硫化钨乙醇分散液，经原子力显微镜检测其厚度为0.85nm，X-光电子能谱显示为2H相。

实施例2

称取3.48g硫代钨酸铵置于刚玉坩埚中，放置在管式炉中，通氩气保护，程序升温至800℃，保温5h，然后继续通氩气自然降温至室温，得到2H相二硫化钨块体；取100mg二硫化钨块体置于100mL离心管中，加入50mL异丙醇，超声分散36h，分散后的悬浮液在转速为1000r/min的离心机上离心1h，将分离沉淀后的悬浮液置于另一个离心管中超声5h，然后在转速为8000r/min的离心机上离心1h，分离沉淀后所得悬浮液即为单层二硫化钨异丙醇分散液，经原子力显微镜检测其厚度为0.83nm，X-光电子能谱显示为2H相。

实施例3

称取3.48g硫代钨酸铵置于刚玉坩埚中，放置在管式炉中，通氩气保护，程序升温至1200℃，保温1h，然后继续通氩气自然降温至室温，得到2H相二硫化钨块体；取100mg二硫化钨块体置于100mL离心管中，加入50mL N-甲基吡咯烷酮，超声分散10h，分散后的悬浮液在转速为1000r/min的离心机上离心1h，将分离沉淀后的悬浮液置于另一个离心管容中超声1h，然后在转速为10000r/min的离心机上离心1h，分离沉淀后所得悬浮液即为单层二硫化钨N-甲基吡咯烷酮分散液，经原子力显微镜检测其厚度为0.75nm，X-光电子能谱显示为2H相。

实施例4

称取3.48g硫代钨酸铵置于刚玉坩埚中，放置在管式炉中，通氩气保护，程序升温至500℃，保温5h，然后继续通氩气自然降温至室温，得到2H相二硫化钨块体；取100mg二硫化钨块体置于100mL离心管中，加入50mL去离子水，超声分散72h，分散后的悬浮液在转速为1000r/min的离心机上离心1h，将分离沉淀后的悬浮液置于另一个离心管中超声10h，然后在转速为20000r/min的离心机上离心1h，分离沉淀后所得悬浮液即为单层二硫化钨水分散液，经原子力显微镜检测其厚度为0.88nm，X-光电子能谱显示为2H相。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。