一种利用模板法制备二维MOF衍生硫化物的方法与流程

本发明涉及新型复合材料技术领域，尤其涉及一种利用模板法制备二维mof衍生硫化物的方法。

背景技术

二维材料由于其大的横向维度与纳米厚度，稳定的物理化学性能，在电子、能源存储、气体分离、催化等领域被广泛研究与应用。金属-有机框架材料（metal-organicframeworks，mof）是金属离子与有机配体结合而成的具有多孔网络结构的晶体。具有高度有序的孔道结构，二维mof材料比三维mof晶体展现出更大的比表面积，材料表面更容易接触活性位点。过渡金属硫化物由于其3d价电子壳层结构，特殊的结构与物理化学稳定性，自2010年以来，逐渐成为纳米材料的研究热点，在光、电催化领域有着广泛的应用。

目前，二维纳米硫化物的制备方法可以分为两类：一类是自上而下的剥离法，如机械剥离法，液相超声法、锂离子插层化学剥离法；另一类是自下而上的合成方法，如高温热分解法。但是上述方法存在着操作复杂、产品形貌不均、稳定性差容易聚沉的缺点，阻碍了硫化物的进一步发展。

因此，如果将二维mof材料大的比表面积，材料表面更容易接触活性位点等优点结合到过渡金属硫化物中，开发一种新型二维mof衍生硫化物材料对于开拓硫化物在光、电催化领域的应用前景具有重要的研究意义。

技术实现要素：

本发明为了克服传统二维纳米硫化物的制备操作复杂、产品形貌不均、稳定性差容易聚沉的问题，提供了一种简便、温和、稳定性好、产品形貌均一的利用模板法制备二维mof衍生硫化物的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用模板法制备二维mof衍生硫化物的方法，包括以下步骤：

（1）将三维mof材料分散到有机溶剂中，得分散液；

（2）将上述分散液倒入于60~200℃温度条件下水热反应1~10h，冷却、洗涤、干燥，得二维mof材料；

（3）将二维mof材料进行硫化处理，即得二维mof衍生硫化物。

本发明将三维mof材料依次通过水热、硫化处理，制得二维mof衍生硫化物，通过水热处理，三维mof结构发生熔融再结晶过程，形成尺寸均匀的二维mof结构，进一步通过cvd法，以mil-53（fe）二维mof材料为例说明，以二维mof材料的结构为模板，将二维mof结构中的fe进行硫化，形成fes2，最后得到由fes2纳米颗粒组成的二维mof衍生硫化物纳米片。

作为优选，步骤（3）中，硫化温度控制在250~500℃，硫化时间控制在1~24h。

作为优选，步骤（3）中，以硫粉为硫化剂，采用化学气相沉积法对二维mof材料硫化处理，化学气相沉积工艺中升温速率为5~10℃/min。

作为优选，步骤（1）中，所述有机溶剂选自甲醇或乙醇。

作为优选，步骤（1）中，所述分散液中三维mof材料的浓度控制在0.1~10mg/ml。

作为优选，步骤（1）中，所述分散液中三维mof晶体粉末的浓度控制在0.56mg/ml。作为优选，步骤（2）中，水热反应的温度为120℃，反应时间为8h。

作为优选，步骤（3）中，硫化温度为350℃，硫化时间为1h。

作为优选，步骤（1）中，所述三维mof材料选自zif-67，mil-53（fe），mil-53（fe）-nh2，mil-88（fe）和mil-125（ti）中的一种或几种混合。

一种由上述方法制备的二维mof衍生硫化物在催化、传感、电化学领域的应用。

本发明对所有三维mof晶体几乎都适用，mof晶体可通过文献报道的方法进行制备，上述晶体均可通过溶剂热法合成。具体而言，溶剂热法实验步骤如下：按比例将金属盐或将金属盐或者金属盐水合物、有机配体及溶剂进行混合，然后对混合物进行溶剂热反应获得mof晶体沉淀，进一步通过离心洗涤，真空干燥得到mof晶体。

因此，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明采用模板法制备二维mof衍生硫化物，操作简单，条件温和，成本低，以溶剂热法制得的二维mof材料的结构为模板，成功制得二维mof衍生硫化物；

（2）采用该方法制得的二维mof衍生硫化物比表面积大、形貌均一、稳定性好，化学反应的活性位点多，在催化、传感、电化学等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施例制得的mil-53（fe）三维mof材料的hrtem（a）和sem图（b）。

图2是实施例3中制得的mil-53（fe）二维mof材料的sem图。

图3是实施例3中制得的mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末的sem图与元素分布图。

图4是实施例3中制得的mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末的tem图。

图5是本发明制得的mil-53（fe）三维mof材料的xrd谱图。

图6是实施例3制得的mil-53（fe）二维mof材料的xrd谱图。

图7是实施例3制得的mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末的xrd谱图。

图8是本发明制得的mil-53（fe）三维mof材料（a）和实施例3制得的mil-53（fe）二维mof材料（b）的红外谱图。

图9是实施例3制得的mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末的在析氢反应中的测试结果。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

本发明以制备mil-53（fe）二维mof衍生硫化物为例详细说明，但本发明并不局限于该材料。

制备三维mil-53（fe）晶体粉末：

（1）称取54mgfecl3•6h2o超声分散于5mldmf中，得氯化铁分散液；

（2）称取33.2mg对苯二甲酸（bdc）超声分散于5mldmf中，得对苯二甲酸溶液；

（3）将对苯二甲酸溶液与氯化铁分散液混合均匀后，转移至20ml反应釜中，放于鼓风烘箱中于120℃反应8h，反应结束后，置于室内自然降温至室温，用甲醇离心洗涤，重复3次，60℃真空干燥8h，得mil-53（fe）三维mof材料。

实施例1

（1）将上述mil-53（fe）三维mof材料分散到甲醇中，得浓度为0.1mg/ml的分散液；

（2）将分散液倒入反应釜内，于60℃温度条件下反应10h，反应结束后，将所得产物自然降温至10℃，再用甲醇或乙醇离心洗涤，重复1次，真空干燥6h，得mil-53（fe）二维mof材料；

（3）将mil-53（fe）二维mof材料置于船型坩埚中，另取一船型坩埚，放入过量硫粉，将硫粉置于石英管前段，通过cvd法进行硫化，升温速率为8℃/min，500℃，硫化时间控制在1h，反应结束后，得到黑色mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末。

实施例2

（1）将上述mil-53（fe）三维mof材料分散到乙醇中，得浓度为10mg/ml的分散液；

（2）将分散液倒入反应釜内，于200℃温度条件下反应1h，反应结束后，将所得产物自然降温至40℃，再用甲醇或乙醇离心洗涤，重复5次，真空干燥10h，即得mil-53（fe）二维mof材料；

（3）将mil-53（fe）二维mof材料置于船型坩埚中，另取一船型坩埚，放入过量硫粉，将硫粉置于石英管前段，通过cvd法进行硫化，升温速率为5℃/min，250℃，硫化时间控制在24h，反应结束后，得到黑色mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末。

实施例3

（1）将上述mil-53（fe）三维mof材料分散到乙醇中，得浓度为0.56mg/ml的分散液；

（2）将分散液倒入反应釜内，于120℃温度条件下反应8h，反应结束后，将所得产物自然降温至25℃，再用甲醇或乙醇离心洗涤，重复3次，真空干燥8h，即得mil-53（fe）二维mof材料；

（3）将mil-53（fe）二维mof材料置于船型坩埚中，另取一船型坩埚，放入过量硫粉，将硫粉置于石英管前段，通过cvd法进行硫化，升温速率为10℃/min，350℃，硫化时间控制在1h，反应结束后，得到黑色mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末。

对本发明制得的mil-53（fe）三维mof材料和实施例3制得的mil-53（fe）二维mof材料、黑色mil-53（fe）二维mof衍生硫化物粉末进行表征与测试：

（1）sem分析

sem测试在hitachis-4700扫描电子显微镜上进行，所用样品制备方法如下：取待测样品置于贴有导电胶的支持台表面，随后将其放入sem腔室中进行测试。

（2）广角xrd分析

xrd测试在x'pertpro型x射线衍射仪上进行，待测样品制备如下：取待测样品铺于石英片上方形磨砂凹槽中，并用载玻片压实压平进行测试。

（3）高分辨tem分析

tem测试在jeol2010f型透射电子显微镜上进行，所用样品的制备方法如下：取待测样品滴加约1ml去离子水，超声分散10min至分散均匀，取少量分散液利用滴液法滴加在带微栅铜网表面（含微孔碳支持膜），置于室温下自然干燥。

（4）电化学测试

电化学析氢反应测试使用上海辰华电化学工作站三电极测试系统进行，使用碳棒做对电极，ag/agcl标准电极做参比电极，使用碳纸作为基底，将活性催化剂滴加在1cm*1cm尺寸碳纸上做工作电极。使用0.5mh2so4做电解液进行测试，使用纯碳纸与商用20%pt/c做对比样品。her中的测量电位使用e（rhe）=e（ag/agcl）+（0.059ph）+0.241进行校准，扫描速率为5mv/s。

测试结果分析：

（1）形貌分析：

图1展示了本发明制得的mil-53（fe）三维mof材料的整体形貌为三维正八面体结构，尺寸约为0.5微米；图2展示了通过一步水热法制的得mil-53（fe）二维mof材料的整体形貌为长约1微米，宽约0.5微米的片状材料，尺寸均一；图3示出了通过cvd法制备得到的mil-53（fe）二维mof衍生硫化物的sem与元素分布图。图3（a）（b）中可以看出制得的二维mof衍生硫化物尺寸均一，元素分布图显示s与fe元素均匀分布在材料内部。图4进一步显示了mil-53（fe）二维mof衍生硫化物内部均匀分布着金属硫化物fes2颗粒，图4中a、b、c为地倍率的tem图，图中可以明显看出颗粒状的fes2颗粒，如4d为金属硫化物fes2颗粒高倍率的tem图，可以明显看出清洗的晶格条纹，也进一步说明成功制备了金属硫化物fes2纳米片。

（2）组分分析：

图5显示了本发明制备的三维mof晶体材料出现的衍射峰与模拟的mil-53（fe）的衍射峰相一致，说明成功合成mil-53（fe）三维mof材料；图6显示经过溶剂热反应制得mil-53（fe）二维mof材料与mil-101（fe）三维mof材料的衍射峰位置一致，强度更高，说明制得的二维mof材料与三维mof材料是同一种金属有机配位化合物；图7中可以看出，实施例3制备的mil-53（fe）二维mof衍生硫化物的xrd衍射峰与fes2相对应（pdf#42-1340），证明通过水热法和cvd法成功制备了mil-53（fe）二维mof衍生硫化物。图8为本发明制得的mil-53（fe）三维mof材料（a）和实施例3制得的mil-53（fe）二维mof材料（b）的红外谱图，对比可以发现在波长为550/cm^-1处都有代表fe-o键的峰出现，进一步证实了制得的二维mof材料与三维mof材料是同一种金属有机配位化合物。

（3）本发明制备的mil-53（fe）二维mof衍生硫化物在her中的应用：

从图9a、b中可以看出，mil-53（fe）二维mof衍生硫化物在析氢反应（her）中起始电位为175mv，tafel斜率为88.90mv/decade，说明该mil-53（fe）二维mof衍生硫化物能够广泛应用于催化、传感、电化学领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。