二维纳米片层材料及其制备方法与流程

本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种二维纳米片层材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，与零带隙石墨烯相比，具有单层或少数几层过渡金属二硫属化合物半导体以其独特的物理、化学性质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。例如，Gu首次采用锂插层法制备出的MoS₂纳米片层作为聚合物太阳能电池器件正极修饰层，得到具有较高光电转换效率的太阳能器件(Adv.Energy Mater.，2013，3，1262–1268)，由此开启了过渡金属二硫属化合物在太阳能电池界面层方面的应用；Yang等人同样采用锂插层法制备出的MoS2纳米片层经过紫外-臭氧后处理后作为电池器件正极修饰层，但制备过程中需要采用易燃化学品丁基锂作为插层剂(J.Mater.Chem.A，2014，2，7727–7733)；此外，锂插层法制备出的MoS₂纳米片层容易发生团聚，为了克服此缺点，Liu等人采用表面离子活性剂氯化十六烷基三甲基铵(CTAC)对MoS₂纳米片层进行改性来提高其溶液稳定性，以此作为太阳能电池器件的光电转换效率以及稳定性良好(RSC Adv.，2014，4，32744–32748)；Lee等人采用化学真空沉积法分别制备了以MoS₂和WS₂为正极修饰层的有机发光二极管以及有机太阳能电池，其光电转化效率及稳定性良好，但是整个制备过程复杂，制备要求高，所制备的正极修饰层仍需紫外-臭氧后处理(ACS nano，2015，9，4146-4155)；Kim等人采用有机溶剂液相超声剥离法制备MoS₂纳米片层，仍需紫外-臭氧后处理来提高其功函后才能有效地作为太阳能电池器件中的正极修饰层，虽然器件效率及稳定性有所提高，但MoS₂纳米片层的制备过程仍需涉及有毒的高沸点溶剂(Phys.Chem.Chem.Phys.，2014，16，13123--13128)。

综述所述，无论采用何种方法制备过渡金属二硫属化合物材料，均需经过后处理才能够有效作为电池的正极修饰层材料。除此之外，目前这些纳米片层的制备方法复杂，后处理成本高，以及纳米片层在水中的分散性较差，这些都严重限制了依赖于溶液成膜的太阳能电池方面的应用。因此，进一步开拓这些纳米材料的绿色加工制备技术仍是研究热点。在加工过程中减少有毒有害的有机溶剂使用，简化材料后处理流程，有助于进一步开拓这些新型纳米材料的应用前景，并且具有实际应用价值。最近，采用水溶性表面活性剂胆酸钠(Adv.Mate.,2011，23，3944–3948)或水溶性聚合物例如生物牛血清蛋白(J.Am.Chem.Soc.，2015，137，6152-6155)、聚乙烯醇(Adv.Funct.Mater.，2016，26，1028–1039)实现了二维纳米片层材料的水相剥离，但是对于剥离以后的纳米片层的进一步应用研究鲜有报道。因此拓展聚合物/二维纳米片层材料的应用领域具有一定的研究意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中二维纳米片层材料的制备方法复杂，后处理成本高，以及得到的纳米片层在水中的分散性较差，严重限制了依赖于溶液成膜的太阳能电池方面的应用的问题，提供一种二维纳米片层材料及其制备方法。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种二维纳米片层材料及其制备方法，所述方法包括：

步骤1，将层状本体材料粉末加入PEDOT:PSS水溶液中，进行超声处理；

步骤2，将超声处理后的溶液静置或者进行离心分离，得到PEDOT:PSS包覆修饰的二维纳米片层材料水溶液；

步骤3，将PEDOT:PSS包覆修饰的二维纳米片层材料水溶液进行室温干燥或者冷冻干燥，得到二维纳米片层材料粉末。

优选的，所述层状本体材料为石墨、二硫化钼、二硫化钨、三氧化钼中的任意一种。

优选的，所述层状本体材料用量为60mg～1g。

优选的，所述PEDOT:PSS水溶液用量为10～200mL。

优选的，步骤1中进行超声处理的超声功率为50～800W，超声时间为5mi n～48h。

优选的，步骤2中进行离心分离的离心速率为1000～15000rpm，离心时间为5mi n～2h。

优选的，步骤3中进行室温干燥或冷冻干燥的时间为5～48h。

第二方面，本发明提供了一种采用上述第一方面所述方法制备的二维纳米片层材料。

本发明提供的二维纳米片层材料及其制备方法，不涉及任何有机溶剂，采用对环境友好的绿色水相剥离方法，操作简便，生产成本低，易于工业化。采用二维纳米片层材料与PEDOT:PSS的混合物作为聚合物太阳能电池正极修饰层的器件光电转化效率高，稳定性强，在太阳能电池领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的二维纳米片层材料制备方法的流程图；

图2为本发明实施例2提供的二维纳米片层材料制备方法制备的MoS₂纳米片层粉末水溶液丁达尔现象图；

图3为本发明实施例2提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的MoS₂纳米片层原子力显微镜图；

图4为本发明实施例2提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的MoS₂纳米片层原子力显微镜测试高度图；

图5为本发明实施例2提供的二维纳米片层材料制备方法制备的MoS₂纳米片层透射电子显微镜图；

图6为本发明实施例3提供的提供的二维纳米片层材料制备方法制备的WS₂纳米片层粉末水溶液丁达尔现象图；

图7为本发明实施例3提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的WS₂纳米片层原子力显微镜图；

图8为本发明实施例3提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的WS₂纳米片层原子力显微镜测试高度图；

图9为本发明实施例3提供的二维纳米片层材料制备方法制备的WS₂纳米片层透射电子显微镜图；

图10为本发明实施例3提供的二维纳米片层材料制备方法制备的WS₂纳米片层与PEDOT:PSS的混合物作为聚合物太阳能电池正极修饰层电流密度-电压曲线。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明二维纳米片层材料制备方法的流程图，如图所示，本发明实施例具体包括如下步骤：

步骤101，将层状本体材料粉末加入PEDOT:PSS水溶液中，进行超声处理。

其中，层状本体材料具体为石墨、二硫化钼、二硫化钨、三氧化钼中的任意一种。

在优选的实施例中，层状本体材料用量为50mg～1g。

在优选的实施例中，PEDOT:PSS水溶液用量为10～200mL。

在优选的实施例中，进行超声处理的超声功率为50～800W，超声时间为5mi n～48h。

步骤102，将超声处理后的溶液静置或者进行离心分离，得到PEDOT:PSS包覆修饰的二维纳米片层材料水溶液。

在优选的实施例中，进行离心分离的离心速率为1000～15000rpm，离心时间为5mi n～2h。

步骤103，将PEDOT:PSS包覆修饰的二维纳米片层材料水溶液进行室温干燥或者冷冻干燥，得到二维纳米片层材料粉末。

在优选的实施例中，进行室温干燥或冷冻干燥的时间为5～48h。

本发明实施例提供的二维纳米片层材料及其制备方法，不涉及任何有机溶剂，采用对环境友好的绿色水相剥离方法，操作简便，生产成本低，易于工业化。采用二维纳米片层材料与PEDOT:PSS的混合物作为聚合物太阳能电池正极修饰层的器件光电转化效率高，稳定性强，在太阳能电池领域具有良好的应用前景。

为更好的理解本发明提供的技术方案，下述以多个具体实例分别说明应用本发明上述实施例提供的方法制备二维纳米片层材料的具体过程。

实施例2

步骤201，将50mg MoS₂粉末加入10mL PEDOT:PSS水溶液中，超声处理10h。

步骤202，将超声处理后的溶液在1500rpm离心条件下离心分离45mi n，得到PEDOT:PSS包覆修饰的MoS₂纳米片层水溶液。

步骤203，将步骤202中的水溶液冷冻干燥48h得到MoS₂纳米片层粉末。

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的MoS₂纳米片层粉末水溶液丁达尔现象照片如图2所示。

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的MoS₂纳米片层原子力显微镜图如图3所示；

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的MoS₂纳米片层原子力显微镜测试高度图如图4所示；

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的MoS₂纳米片层透射电子显微镜图如图5所示。

实施例3

步骤301，将50mg WS₂粉末加入10mL PEDOT:PSS水溶液中，超声处理10h。

步骤302，将超声后的溶液在1500rpm离心条件下离心45mi n得到PEDOT:PSS包覆修饰的WS₂二维纳米片层水溶液，其水溶液可用做聚合物太阳能电池的正极修饰层。

步骤303，将步骤302中的水溶液冷冻干燥48h得到WS₂二维纳米片层粉末。

本发明实施例提供的提供的二维纳米片层材料制备方法制备的WS₂纳米片层粉末水溶液丁达尔现象图如图6所示；

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的WS₂纳米片层原子力显微镜图如图7所示；

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的包覆有PEDOT:PSS的WS₂纳米片层原子力显微镜测试高度图如图8所示；

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的WS₂纳米片层透射电子显微镜图如图9所示。

本发明实施例提供的二维纳米片层材料制备方法制备的WS₂纳米片层与PEDOT:PSS的混合物作为聚合物太阳能电池正极修饰层电流密度-电压曲线如图10所示。

实施例4

步骤401，将50mg石墨粉末加入10mL PEDOT:PSS水溶液中，超声处理10h。

步骤402，将超声处理后的溶液在1500rpm离心条件下离心45mi n得到PEDOT:PSS包覆修饰的石墨二维纳米片层水溶液。

步骤403，将步骤402中的石墨二维纳米片层水溶液冷冻干燥48h得到二维纳米片层粉末。

实施例5

步骤501，将50mg MoO₃粉末加入2mL乙腈研磨0.5h后加入10mL PEDOT:PSS水溶液中，超声处理10h。

步骤502，将超声处理后的溶液在1500rpm离心条件下离心45mi n得到PEDOT:PSS包覆修饰的MoO₃二维纳米片层水溶液。

步骤503，将步骤502中的MoO₃二维纳米片层水溶液冷冻干燥48h得到MoO₃二维纳米片层粉末。

本发明实施例提供的二维纳米片层材料及其制备方法，不涉及任何有机溶剂，采用对环境友好的绿色水相剥离方法，操作简便，生产成本低，易于工业化。采用二维纳米片层材料与PEDOT:PSS的混合物作为聚合物太阳能电池正极修饰层的器件光电转化效率高，稳定性强，在太阳能电池领域具有良好的应用前景。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。