一种全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用全方位搅拌超声高效剥离片层材料制备二维纳米片的方法，属于二维纳米材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]二维纳米片，如石墨烯，六方氮化硼(h-BN)纳米片，二硫化钼(MoS2)纳米片和二硫化钨(WS2)纳米片等，具有优良的电学，光学和化学性能，在激光、电子、催化、生物等方面具有广阔的应用前景，因此，在近几年内成为材料界的研宄热点。随着研宄的逐步深入，对二维纳米片的需求越来越大。但是，由于片层材料的层与层之间具有较强的分子间作用力和离子键作用力，使得它们的剥离制备难度很大。特别是有些二维材料还与剥离助剂(酸)反应。这使得制备纳米片的难度大大增加。现如今还没有一种行之有效的方法来大量制备二维纳米片。因此，为满足基础研宄和工业生产中对二维材料的需求，急需找到一种简单有效的方法来制备大批量的二维纳米片。
[0003]从目前的研宄成果可以看出，剥离制备二维片层材料的方法大致可以分为三类，机械剥离法(V.Nicolosi, M.Chhowalla, M.G.Kanatzidis, M.Strano, J.N.Coleman，Science, 2013，340，1226419)，液相剥离法(C.Zhi, Y.Bando, C.Tang, H.Kuwahara, D.Golberg, Adv.Mater.2009, 21, 2889)，气相沉积法(Song, J.et al.Layer-controlled, wafer-scale, and conformal synthesis of tungsten disulfide nanosheets using atomiclayer deposit1n.ACS Nano 7，11333-11340，2013)。这些方法基本上对一种或者某几种剥离制备二维纳米片有效果。但是这些方法都存在一个致命的缺点，那就是产量非常低，不能满足科研和生产的需要。另外，剥离所用的设备，溶剂价格非常的昂贵，而且CVD生长时还需要高温高压，耗能严重。尽管制备方法困难，但是二维纳米片层结构又具有很多其它维度结构难以比拟的优点，例如用几纳米厚度的MoS2作衬底的超灵敏的光电探测器具有很好的探测效果，通过化学剥离的MoS2m米片具有良好的荧光性能。
[0004]因此，研宄、设计、寻找一种简单有效的能大批量制备二维纳米片的方法是非常亟需和有意义的。
【发明内容】
[0005]针对现有二维纳米材料制备技术存在的问题，本发明提出一种操作简单、溶剂廉价易得、对环境无毒、所需温度低、产量高的全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法。
[0006]本发明的全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法，包括以下步骤:
[0007](I)将需要剥离的原料按每克与溶剂100ml-400ml的比例分散于溶剂中，形成分散溶液；
[0008]所述需要剥离的原料是石墨烯、氮化硼、硫化钼、硫化钨或锑化铋等层状材料。
[0009]所述溶剂是单一溶剂(如去离子水、乙醇、丙酮、甲苯等)，或者是两种及以上溶剂任意比例的混合溶剂。
[0010](2)将分散溶液置于频率为20KHZ-70KHZ的超声波环境中，并于25_100°C温度下磁力搅拌，超声搅拌处理时间为I小时-48小时，使分散溶液进行全方位无死角的充分分散及剥离；
[0011](3)将步骤⑵得到的产物过滤洗涤，得到二维材料的纳米片。
[0012]所述步骤⑴的分散溶液中加入有表面活性剂，表面活性剂与需要剥离的原料的摩尔比为1:1-1.5:1，以增加产量。
[0013]本发明利用全方位搅拌超声的方法制备二维纳米材料，操作简单，超声无死角，溶剂廉价易得，可循环利用，具有对环境无毒、所需温度低、产量高的特点，不需要复杂昂贵的仪器设备。
【附图说明】
[0014]图1是本发明制备的石墨烯、BN纳米片、MoSjP WS 2纳米片的扫描电镜照片。其中a为石墨稀，b为BN纳米片，c为MoS2, d为胃32纳米片。
[0015]图2是本发明制备的石墨烯、BN纳米片、MoSjP WS^米片的原子力显微镜照片。其中a为石墨稀，b为BN纳米片，c为MoS2, d为胃32纳米片。
[0016]图3是本发明制备的石墨烯、BN纳米片、MoS#P WS 2纳米片的透射电镜照片。其中a为石墨稀，b为BN纳米片，c为MoS2, d为胃32纳米片。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
[0018](I)称量0.12g石墨，量取1ml去离子水，将两者分散于石英管中。
[0019](2)将石英管置于超声波频率为20KHz的超声波装置中，并使石英管中的分散液在25°C进行磁力搅拌48小时。在超声波环境下进行全方位无死角的充分分散，使样品剥离。
[0020](3)将步骤⑵中的反应产物抽滤洗涤，在干燥箱中干燥后即可得到石墨二维纳米片。如果将得到的产物二维纳米片分散于所需溶剂中，即可得到分散的二维纳米片。
[0021]制备的石墨烯二维纳米片的扫描电镜照片、原子力显微镜照片和透射电镜照片分别如图1、图2和图3所示。
[0022]实施例2
[0023]本实施例与实施例1的不同之处在于:在步骤(I)中添加表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，用量为0.01-0.015摩尔，使聚乙烯吡咯烷酮与石墨烯的摩尔比在1:1-1.5:1之间任意选择。
[0024]实施例3
[0025](I)称量0.lgh-BN，量取20ml乙醇，将两者分散于石英管中。
[0026](2)将石英管置于超声波频率为30KHz的超声波装置中，并使石英管中的分散液在30°C进行磁力搅拌35小时。
[0027](3)将步骤⑵中的反应产物抽滤洗涤，在干燥箱中干燥后即可得到BN 二维纳米片。如果将得到的产物二维纳米片分散于所需溶剂中，即可得到分散的二维纳米片。
[0028]制备的BN 二维纳米片的扫描电镜照片、原子力显微镜照片和透射电镜照片分别如图1、图2和图3所示。
[0029]实施例4
[0030](I)称量0.1g硫化钼，量取30ml丙酮，将两者分散于石英管中。
[0031](2)将石英管置于超声波频率为40KHz的超声波装置中，并使石英管中的分散液在40°C进行磁力搅拌20小时。
[0032](3)将步骤(2)中的反应产物抽滤洗涤，在干燥箱中干燥后即可得到硫化钼二维纳米片。如果将得到的产物二维纳米片分散于所需溶剂中，即可得到分散的二维纳米片。
[0033]制备的硫化钼二维纳米片的扫描电镜照片、原子力显微镜照片和透射电镜照片分别如图1、图2和图3所示。
[0034]实施例5
[0035](I)称量0.1g硫化钨，量取40ml甲苯，将两者分散于石英管中。
[0036](2)将石英管置于超声波频率为50KHz的超声波装置中，并使石英管中的分散液在50°C进行磁力搅拌12小时。
[0037](3)将步骤(2)中的反应产物抽滤洗涤，在干燥箱中干燥后即可得到硫化钨二维纳米片。如果将得到的产物二维纳米片分散于所需溶剂中，即可得到分散的二维纳米片。
[0038]制备的硫化钨二维纳米片的扫描电镜照片、原子力显微镜照片和透射电镜照片分别如图1、图2和图3所示。
[0039]实施例6
[0040](I)称量0.1g锑化铋，量取1ml去离子水和1ml乙醇，将三者一起分散于石英管中。
[0041](2)将石英管置于超声波频率为60KHz的超声波装置中，并使石英管中的分散液在65°C进行磁力搅拌8小时。
[0042](3)将步骤(2)中的反应产物抽滤洗涤，在干燥箱中干燥后即可得到锑化铋二维纳米片。如果将得到的产物二维纳米片分散于所需溶剂中，即可得到分散的二维纳米片。
[0043]制备的锑化铋二维纳米片的扫描电镜照片、原子力显微镜照片和透射电镜照片分别如图1、图2和图3所示。
[0044]实施例7
[0045](I)称量0.1g石墨，量取1ml去离子水、1ml乙醇和1ml丙酮，将其一起分散于石英管中。
[0046](2)将石英管置于超声波频率为70KHz的超声波装置中，并使石英管中的分散液在100°C进行磁力搅拌I小时。
[0047](3)将步骤(2)中的反应产物抽滤洗涤，在干燥箱中干燥后即可得到石墨二维纳米片。
[0048]实施例8
[0049](I)称量0.1g氮化硼和量取1ml去离子水、5ml乙醇、5ml丙酮和5ml甲苯，将其一起分散于石英管中。
[0050](2)将石英管置于超声波频率为65KHz的超声波装置中，并使石英管中的分散液在85°C进行磁力搅拌5小时。
[0051](3)将步骤(2)中的反应产物抽滤洗涤，在干燥箱中干燥后即可得到氮化硼二维纳米片。
【主权项】
1.一种全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法，其特征是，包括以下步骤: (1)将需要剥离的原料按每克与溶剂100ml-400ml的比例分散于溶剂中，形成分散溶液； (2)将分散溶液置于频率为20KHz-70KHz的超声波环境中，并于25_100°C温度下磁力搅拌，超声搅拌处理时间为I小时-48小时，使分散溶液进行全方位无死角的充分分散及剥离； (3)将步骤(2)得到的产物过滤洗涤，得到二维材料的纳米片。
2.根据权利要求1所述全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法，其特征是，所述需要剥离的原料是石墨烯、氮化硼、硫化钼、硫化钨或锑化铋。
3.根据权利要求1所述全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法，其特征是，所述溶剂是单一溶剂或者是两种及以上溶剂任意比例的混合溶剂。
4.根据权利要求1所述全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法，其特征是，所述步骤(I)的分散溶液中加入有表面活性剂，表面活性剂与需要剥离的原料的摩尔比为1:1-1.5:1。
【专利摘要】一种全方位搅拌超声制备二维纳米片层材料的方法，包括以下步骤：(1)将需要剥离的原料分散于溶剂中，形成分散溶液；(2)将分散溶液置于超声波环境中，并于25-100℃温度下磁力搅拌，超声搅拌处理时间为1小时-48小时，使分散溶液进行全方位无死角的充分分散及剥离；(3)将步骤(2)得到的产物过滤洗涤，得到二维材料的纳米片。该方法利用全方位搅拌超声的方法制备二维纳米材料，操作简单，超声无死角，溶剂廉价易得，可循环利用，具有对环境无毒、所需温度低、产量高的特点，不需要复杂昂贵的仪器设备。
【IPC分类】C01B21-064, C01B31-04, C01G39-06, C01G41-00, B82Y40-00, B22F9-04
【公开号】CN104843695
【申请号】CN201510275154
【发明人】郝霄鹏, 赵刚, 吴拥中, 邵永亮
【申请人】山东大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月26日