一种单层二硫化钼纳米片的制备方法与流程

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

背景技术：

二硫化钼具有与石墨类似的层状结构，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。Radisavljevic等人测试表明单层二硫化钼的电导率要比块体二硫化钼提高100个数量级，使得其在电子器件及电子传感器中有着优越的性能（Nat.Nanotechnol.2011,6,147）；Mak等人通过计算模拟表明二硫化钼从块体剥离至单层，由于量子限域效应，其禁带宽度由间接带隙的1.3eV增大为直接带隙的1.8eV，使得光生电子空穴的分离能力提高（Phys.Rev.Lett.2010,105）；Hinnemann等人通过密度函公式计算纳米级二硫化钼的暴露活性边缘的吸附氢吉布斯自由能，发现其边缘有很强的氢吸附能力，并有着金属Pt一样接近零吉布斯自由能的析氢性能，从而推断出单层的二硫化钼拥有更多的暴露活性边缘，很有希望成为替代Pt作为析氢材料的催化剂（J.Am.Chem.Soc.2005,127,5308）。Chen W.X.等人研究表明，单层二硫化钼在与碳基材料复合时，有着超高的容量贡献（>1500mAh/g），远远超过其块体材料的理论值（J.Mater.Chem.2011,21,6251）。

虽然单层二硫化钼纳米材料在热、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钼有纳米材料，尤其是不同相态的单层硫化钼剥离制备。目前制备单层二硫化钼纳米材料的主要有微机械力剥离法、化学气相沉积法、锂离子插层法以及液相超声法等，这些剥离方法不仅操作繁琐，工艺复杂，而且单层二硫化钼的产量极低，大部分是厚度为1-100nm的少层数二硫化钼纳米片，而非真正意义上的单层二硫化钼。除了难以高效率地剥离制备单层二硫化钼纳米片外，二硫化钼纳米片只能在诸如二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮等高沸点有机溶剂中剥离和保存，而这些有机溶剂粘度大、沸点很高，在离心收集过程中，单层或少层数二硫化钼又重新聚集成多层二硫化钼纳米片，从而限制了单层二硫化钼纳米片在一些科研或工业领域的探索和应用。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种更简单、安全、高效且适合规模化生产的单层二硫化钼纳米片的制备方法，该方法直接以硫代钼酸铵为原料，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单层二硫化钼纳米片。

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

（1）将硫代钼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相二硫化钼块体；

（2）将步骤（1）得到的二硫化钼块体置于小分子溶剂中，超声剥离10-72h，再将得到的悬浮液置于离心机中分离沉淀后得到二硫化钼纳米片悬浮液；

（3）将步骤（2）得到的二硫化钼纳米片悬浮液置于离心管中，再超声1-10h，然后置于离心机中分离沉淀物后得到对应溶剂的2H相单层二硫化钼纳米片悬浮液，其中二硫化钼纳米片的厚度小于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、本发明直接以硫代钼酸铵为原料，通过较宽温度范围的热处理可以在水、乙醇等小分子溶剂中自行剥离成2H相单层二硫化钼纳米片，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相单层二硫化钼纳米片可以用于单层硫化钼在光析氢、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制备的单层二硫化钼的原子力显微图谱；

图2是本发明实施例1制备的单层二硫化钼的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2.6g的硫代钼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，将得到2H相二硫化钼块体；取100mg二硫化钼块体置于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钼乙醇分散液，经原子力显微镜检测其厚度为0.90nm，X-粉末衍射显示为2H相。

实施例2

称取2.6g的硫代钼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，将得到2H相二硫化钼块体；取100mg二硫化钼块体置于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10h，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钼异丙醇分散液，经原子力显微镜检测其厚度为0.85nm，X-粉末衍射图谱显示为2H相。

实施例3

称取2.6g的硫代钼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相二硫化钼块体；取100mg二硫化钼块体置于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，将离心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钼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-粉末衍射图谱显示为2H相。

实施例4

称取2.6g的硫代钼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相二硫化钼块体；取100mg硫化钼块体置于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，将离心沉淀后的悬浮液置于另一个离心管中超声1h，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钼水分散液，经原子力显微镜检测其厚度为0.93nm，X-粉末衍射图谱显示为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。