低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法

本发明属于纳米材料，具体涉及一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法。

背景技术：

1、二维材料因为极高的比表面积，优异的机械性能，电学性能及热学性能，使其在微电子，光学，能源催化等领域有良好的前景及广泛的应用。然而，二维材料的规模化制备一直成为其进一步大规模应用的难题，目前二维纳米片的制备主要包括两种途径，即“自上而下”的直接合成法以及“自下而上”的剥离法，相比于直接合成法通常涉及反应条件苛刻，成本高，二维纳米片缺陷多以及转移困难等缺点，剥离法具备的操作方便简单，低成本，高质量等优势使其已经成为实验室制备二维纳米片的主要方法以及未来工业化大规模生产的主流方向。剥离法通常需要外界输入能量以克服块体材料的层间剥离能，达到二维纳米片的剥离效果，剥离法包括机械剥离法，液相超声剥离法，气相剥离法，化学改性剥离法等，各种方法都具备制备二维纳米片的能力，然而，现有众多的剥离方法所制备的二维纳米片普遍存在产率低，二维纳米片缺陷多，尺寸小等缺点，这给二维材料在某些领域的应用及进一步的规模化制备带来了困难，成为工业化生产二维材料的技术瓶颈。

2、专利申请cn111137866a公开了“一种高效剥离h-bn制备氮化硼纳米片的方法”，通过将二水合柠檬酸钠晶体(na3c6h5o7·2h2o)溶于有机混合溶液，通过超声分散让na+对bnns进行层间穿插，阴离子表面活性剂柠檬酸根对bnns表面作用改善其表面能，然后在水热反应釜中利用热膨胀对bnns进行分离，结合超声分散、高温高压反应实现对h-bn的高效剥离，得到的bnns结构较完整、缺陷少、厚度薄、分散性好；但是该方法涉及有毒溶剂，具有操作步骤繁琐以及制备周期长等缺点，阻碍其工业化大规模生产的应用前景。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出了一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，针对目前二维纳米片制备技术产率低，尺寸小，缺陷多的不足，通过液氮在块体材料边缘不断汽化膨胀克服材料层间作用力，使母体材料表面层出现卷曲效果，并逐渐脱落剥离，制备二维纳米片；本发明步骤简单，绿色无污染，制备二维纳米片横向长度大，产率高，在大规模的二维纳米片制备方面具备良好的应用前景。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，具体步骤如下：

4、步骤1、将母体材料置于保温桶内，随后将液氮转移到保温桶中；

5、步骤2、将保温桶置于超声清洗仪中，启动超声清洗仪，超声功率为60w～100w，工作频率20khz～40khz；

6、步骤3、持续超声30～80min待液氮完全挥发，关闭超声清洗仪；

7、步骤4、将步骤3所得物质经过两步离心分离法，即可得到剥离二维纳米片产物；

8、步骤5、分离得到的剩余产物通过重复步骤1至步骤4继续得到二维纳米片产物。

9、所述母体材料包括h-bn(六方氮化硼)、石墨烯、过渡金属硫化物，质量50mg～500mg。

10、所述母体材料平均横向长度1～10um，厚度>100nm。

11、所述液氮体积500～2000ml。

12、所述母体材料与液氮的固液比mg：ml为1：4～1:40。

13、所述过渡金属硫化物包括mos2，g-c3n4，ws2。

14、所述两步离心分离法具体为：

15、首先在2000rpm～3000rpm的转速下分离10～15分钟，取上层清液；然后，将上层清液在10000rpm～12000rpm的转速下分离5～10分钟，取下层沉淀。

16、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

17、(1)本发明方法中的低温液氮可以有效抑制超声空化效果，减少空化气泡对剥离二维材料表面的破坏作用，通过液氮在常温汽化过程产生的相对温和的膨胀力产生剥离效应，液氮汽化膨胀力更加倾向于在母体材料边缘作用，可使表层纳米片产生边缘卷曲效应进而从母体材料表面脱离，制备的二维纳米片具备更大的横向长度。

18、(2)本发明方法适用材料范围广，适用于剥离h-bn制备bnns，对于二维纳米片，例如常见的石墨烯，过渡金属硫化物等都具有大规模制备的能力。

19、(3)本发明方法在低温液氮环境中进行，剥离过程有机基团的参与，使得制备的二维纳米片缺陷少，质量好。

20、(4)本发明方法操作简单，便捷，绿色无污染，无需昂贵设备，分离步骤简单，可规模化生产。

技术特征：

1.一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：所述母体材料包括h-bn、石墨烯、过渡金属硫化物，质量50mg～500mg。

3.根据权利要求1所述的一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：所述母体材料平均横向长度1～10um，厚度>100nm。

4.根据权利要求1所述的一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：所述液氮体积500～2000ml。

5.根据权利要求1所述的一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：所述母体材料与液氮的固液比mg：ml为1：4～1:40。

6.根据权利要求1所述的一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：所述过渡金属硫化物包括mos2，g-c3n4，ws2。

7.根据权利要求1所述的一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：所述两步离心分离法具体为：

8.一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

9.一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

10.一种低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

技术总结
低温液氮环境低功率超声剥离制备二维纳米片的方法，将母体材料置于保温桶内，持续超声30～80min待液氮完全挥发，然后将所得物质经过两步离心分离法，即可得到剥离二维纳米片产物；通过在低温液氮和超声剥离的协同作用对母体材料产生剥离效应，超声过程的热效应可以加快液氮常温下汽化过程，并且可以有效抑制超声原有的空化作用，减小对剥离二维纳米片的破坏作用，通过随后的离心分离过程，所制备的二维纳米片具备平均横向长度2.16um，平均厚度小于10nm的特点，在规模化制备大尺寸纳米材料领域具有良好的应用前景。

技术研发人员：刘茂昌,武文通,吕科见,张霄汉,刘峰,剡雪丽
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5