本發(fā)明涉及無(wú)機(jī)材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種微波鋰離子插層制備少層mos2納米片的方法。

背景技術(shù)：

自從2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫成功剝離石墨烯以來(lái)，石墨烯材料憑借其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等性能，在鋰離子電池、傳感器等方面有了很大的應(yīng)用。然后，本征的石墨烯沒(méi)有帶隙，這限制了其在電子器件和光電子器件的應(yīng)用。這也就引起了人們對(duì)新的二維材料的研究，主要有過(guò)渡金屬二硫化物(mos2、ws2、tis2等、過(guò)渡金屬氧化物tio2等，以及與石墨類似的氮化硼等,都是典型的非石墨烯二維材料，其中過(guò)渡金屬二硫化物最為引人注目。對(duì)于塊體金屬二硫化物的研究開(kāi)始于幾十年前，現(xiàn)在已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，然后對(duì)于二維金屬二硫化物的，近幾年才引起人們的關(guān)注。當(dāng)過(guò)度金屬二硫化物由塊狀變?yōu)槎S結(jié)構(gòu)時(shí)，電子能帶結(jié)構(gòu)可以由間接帶隙變?yōu)橹苯訋稄亩沟貌牧系墓?、電性能發(fā)生很大的變化，從而使得二維過(guò)渡金屬二硫化物在電子器件的應(yīng)用方面有著許多類似甚至優(yōu)于石墨烯的特性。未來(lái)在晶體管、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域也會(huì)有更多的應(yīng)用。

二硫化鉬是典型的層狀化合物，每個(gè)單元是s-mo-s的”三明治“結(jié)構(gòu)，層內(nèi)以共價(jià)鍵緊密結(jié)合在一起，層間是以微弱的范德華力結(jié)合在一起。其中mo和s以共價(jià)鍵結(jié)合為三方柱面體結(jié)構(gòu)。這種層狀的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致二硫化鉬層間易沿層面滑動(dòng)，這也是其具有良好潤(rùn)滑性能的原因所在。二硫化鉬是一種具有類似于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠鋬?yōu)異的潤(rùn)滑性能而在摩擦潤(rùn)滑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，二硫化鉬也可以作為加氫催化劑或者電催化制氫催化劑被廣泛應(yīng)用于石油加氫脫硫、脫氮、加氫精制、制氫等領(lǐng)域中，是一種非常有前景的工業(yè)加氫催化劑和電催化制氫催化劑。另外，二硫化鉬還可以應(yīng)用于插層材料、儲(chǔ)氫材料、超級(jí)電容器等領(lǐng)域中。

目前已經(jīng)報(bào)道的二維過(guò)渡金屬二硫化物的制備方法主要和剝離石墨烯的方法類似，主要有機(jī)械剝離法、液相剝離法、水熱合成法、電化學(xué)剝離法等。這些方法能夠制備出優(yōu)異性能的少層二硫化鉬(行業(yè)內(nèi)定義層數(shù)小于10層為少層二硫化鉬)，但也存在一些不足之處，制備耗時(shí)長(zhǎng)、能源利用率不高的缺點(diǎn)，微波剝離可以很好地解決這些問(wèn)題。

中國(guó)專利201510495993.9公開(kāi)了一種使用氮?dú)?n2)和六氟化硫(sf6)氣體在低密度等離子體放電環(huán)境下對(duì)層狀二維材料二硫化鉬(mos2)刻蝕的方法，使得層狀mos2被均勻、有效地逐層刻蝕，最終達(dá)到單層或者少層。該專利采用純化學(xué)刻蝕法制備少層mos2，雖然制得的少層mos2表面損傷小，但是其制備工藝相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)也比較長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種微波鋰離子插層制備少層mos2納米片的方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：

(1)往反應(yīng)容器中加入鋰離子插層劑、硫化鉬和溶劑，水浴加熱，得到水浴加熱產(chǎn)物；

(2)將步驟(1)得到的水浴加熱產(chǎn)物再進(jìn)行微波加熱，冷卻后得到黑色產(chǎn)物；

(3)將步驟(2)得到的黑色產(chǎn)物分離、洗滌干凈后，分散于去離子水中進(jìn)行剝離；

(4)將步驟(3)得到的剝離后的產(chǎn)物過(guò)濾、干燥后，即得到少層mos2納米片。

步驟(1)中所述的鋰離子插層劑為一水氫氧化鋰，其在溶劑中的濃度為(0.8～1.14)g/60ml溶劑。

步驟(1)中所述的硫化鉬為塊狀硫化鉬，其在溶劑中的濃度為(0.2～0.3)g/60ml溶劑。

步驟(1)中的溶劑為乙二醇。

步驟(1)中水浴加熱的溫度為60～80℃，加熱時(shí)間為15～35min。

步驟(2)中水浴加熱產(chǎn)物的微波加熱是在微波爐中進(jìn)行的，其加熱工藝條件 為：微波爐功率為200～300w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進(jìn)行，直至總加熱時(shí)間為30min為止；

冷卻的工藝條件為隨微波爐冷卻至室溫。

步驟(3)中黑色產(chǎn)物的分離、洗滌的工藝條件為：將黑色產(chǎn)物以1500～2500r/min的轉(zhuǎn)速離心5～10min，然后提取上層懸浮液，再以8000～12000r/min的轉(zhuǎn)速用丙酮離心洗滌；

洗滌干凈后的黑色產(chǎn)物在去離子水中的剝離為超聲剝離，剝離時(shí)間為30～60min。

步驟(3)中剝離后的產(chǎn)物的過(guò)濾為用多孔聚偏二氟乙烯濾膜進(jìn)行抽濾。

所述的多孔聚偏二氟乙烯濾膜的孔徑為0.45μm。

步驟(3)中干燥的工藝條件為：在60～80℃下真空干燥8～10h。

反應(yīng)過(guò)程中，乙二醇因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的固有偶極子，有利于微波吸收，所以選擇乙二醇作為反應(yīng)的溶劑，可以促進(jìn)鋰離子插入硫化鉬層間，一水氫氧化鋰提供反應(yīng)過(guò)程中的鋰離子，一水氫氧化鋰的濃度在(0.8～1.14)g/60ml，如果低于這個(gè)濃度，用于剝離塊狀硫化鉬的鋰離子量不足，高于這個(gè)濃度，一水氫氧化鋰不能充分分散在乙二醇溶劑中。通過(guò)水浴加熱，使一水氫氧化鋰、硫化鉬更好地分散在乙二醇溶劑中，微波加熱過(guò)程中，乙二醇不斷吸收能量，一水氫氧化鋰中的鋰離子可以在溶劑不斷升溫的條件下進(jìn)入到硫化鉬層間，微波加熱的時(shí)間過(guò)短，不能使得反應(yīng)充分進(jìn)行，加熱的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)使得乙二醇揮發(fā)的較多。離心結(jié)束后的粉末溶解在去離子水中，去離子水可以和插入鋰離子的硫化鉬發(fā)生反應(yīng),從而將塊狀硫化鉬剝離至少層硫化鉬。過(guò)程涉及的化學(xué)反應(yīng)如下：

mos2+yli⁺+ye^--->liy⁺(mos2)^-y

liy⁺(mos2)^-y+yh2o/-->mos2(nano)+ylioh+y/2h2↑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能源利用高效、反應(yīng)時(shí)間短：本發(fā)明通過(guò)采用微波剝離法制備少層mos2納米片，相比于常規(guī)的剝離法制備少層mos2納米片而言，微波剝離法中的微波加熱是通過(guò)材料化學(xué)鍵吸收微波(電磁波)加快振動(dòng)，從而提高溫度，使得能源利用率極高，同時(shí)，正因?yàn)槠淠茉蠢寐蕵O高，在同樣的用電功率下，其能以高速率升高溫度，并達(dá)到所需溫度，這同時(shí)也大大節(jié)約了制備時(shí)間。

(2)制備工藝簡(jiǎn)單易行：本發(fā)明中的制備工藝操作相對(duì)簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短， 各反應(yīng)原料價(jià)格低廉，特別適合規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制得的少層mos2納米片的tem照片；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制得的少層mos2納米片的hrtem(高分辨tem)照片；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制得的少層mos2納米片的晶格條紋像；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制得的少層mos2納米片的電子衍射圖像；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中塊狀mos2微波剝離前和微波剝離后的xrd圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

一種微波鋰離子插層剝離制備少層mos2納米片的方法，包括以下步驟：將1.14g一水氫氧化鋰、0.2g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑加入到燒杯中，70℃水浴加熱25min后，轉(zhuǎn)移到家用微波爐中以240w加熱10min，停歇3min，加熱30min結(jié)束，隨爐冷卻至室溫，以2000r/min的速度離心7min，然后提取上層的懸浮液，再以10000r/min的速度離心，期間用丙酮進(jìn)行清洗，然后將洗滌干凈后的黑色產(chǎn)物分散在去離子水中進(jìn)行剝離45min，用多孔聚偏二氟乙烯濾膜進(jìn)行過(guò)濾(孔徑為0.45μm)，最后將過(guò)濾后的產(chǎn)物置于70℃真空烘箱中保溫烘干9h后得到少層mos2納米片。

圖1為上述制得的少層mos2納米片的tem照片，由圖1(a)可以看出，本實(shí)施例制得了多個(gè)少層mos2納米片，由圖1(b)可以看出，制得的mos2納米片的大小在幾百納米左右，并由幾層納米片組成。

圖2為上述制得的少層mos2納米片的hrtem照片，可見(jiàn)層狀結(jié)構(gòu)納米片的邊緣處有明顯的界線，由此說(shuō)明剝離后的硫化鉬是少層的。

圖3和圖4分別為晶格條紋像和電子衍射圖像，兩者都很清晰，這也證實(shí)了剝離后的mos2具有單晶的性質(zhì)。

圖5的xrd圖中，微波剝離前的塊狀硫化鉬的xrd圖譜與微波剝離后的塊狀硫化鉬的xed圖與標(biāo)準(zhǔn)卡片37-1492吻合，但是微波剝離后的塊狀硫化鉬的晶 面指數(shù)(004)和(006)的顯著變化，從而證明了塊狀硫化鉬在微波剝離過(guò)程中剝離成了少層硫化鉬。

實(shí)施例2

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入0.8g一水氫氧化鋰、0.25g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在70℃下水浴加熱25min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉(zhuǎn)移到微波爐中加熱，微波爐功率為200w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進(jìn)行，直至總加熱時(shí)間為30min為止，微波加熱結(jié)束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產(chǎn)物以2000r/min的轉(zhuǎn)速離心6min，然后提取上層懸浮液，再以8000r/min的轉(zhuǎn)速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產(chǎn)物在分散于去離子水中超聲剝離30min；將剝離后的產(chǎn)物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進(jìn)行抽濾，并在60℃的真空烘干箱中保溫干燥10h，即得到少層mos2納米片。

實(shí)施例3

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入1.14g一水氫氧化鋰、0.3g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在60℃下水浴加熱35min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉(zhuǎn)移到微波爐中加熱，微波爐功率為300w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進(jìn)行，直至總加熱時(shí)間為30min為止，微波加熱結(jié)束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產(chǎn)物以2500r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，然后提取上層懸浮液，再以12000r/min的轉(zhuǎn)速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產(chǎn)物在分散于去離子水中超聲剝離60min；將剝離后的產(chǎn)物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進(jìn)行抽濾，并在80℃的真空烘干箱中保溫干燥8h，即得到少層mos2納米片。

實(shí)施例4

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入1.0g一水氫氧化鋰、0.2g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在80℃下水浴加熱15min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉(zhuǎn)移到微波爐中加熱，微波爐功率為260w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進(jìn)行，直至總加熱時(shí)間為30min為止，微波加熱結(jié)束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產(chǎn)物以1500r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，然后提取上層懸浮液，再以9000r/min的轉(zhuǎn)速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產(chǎn)物在分散于去離子水中超聲剝離40min；將剝離后的產(chǎn)物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜 (孔徑為0.45μm)進(jìn)行抽濾，并在70℃的真空烘干箱中保溫干燥9h，即得到少層mos2納米片。

實(shí)施例5

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入0.9g一水氫氧化鋰、0.24g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在70℃下水浴加熱20min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉(zhuǎn)移到微波爐中加熱，微波爐功率為220w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進(jìn)行，直至總加熱時(shí)間為30min為止，微波加熱結(jié)束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產(chǎn)物以2200r/min的轉(zhuǎn)速離心5min，然后提取上層懸浮液，再以11000r/min的轉(zhuǎn)速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產(chǎn)物在分散于去離子水中超聲剝離50min；將剝離后的產(chǎn)物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進(jìn)行抽濾，并在65℃的真空烘干箱中保溫干燥9.5h，即得到少層mos2納米片。

實(shí)施例6

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入1.1g一水氫氧化鋰、0.27g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在65℃溫度下水浴加熱30min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉(zhuǎn)移到微波爐中加熱，微波爐功率為280w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進(jìn)行，直至總加熱時(shí)間為30min為止，微波加熱結(jié)束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產(chǎn)物以1800r/min的轉(zhuǎn)速離心9min，然后提取上層懸浮液，再以10000r/min的轉(zhuǎn)速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產(chǎn)物在分散于去離子水中超聲剝離45min；將剝離后的產(chǎn)物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進(jìn)行抽濾，并在75℃的真空烘干箱中保溫干燥8.5h，即得到少層mos2納米片。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。