一種制備納米層狀二硫化鉬的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備納米層狀二硫化鉬的方法，其包括如下步驟：a)將二硫化鉬粉體加入到液氮中，進(jìn)行攪拌或超聲，直至液氮完全揮發(fā)；b)將經(jīng)步驟a)處理過的二硫化鉬粉體加入有機(jī)溶劑中，進(jìn)行超聲處理，得到分散液；c)將步驟b)得到的分散液進(jìn)行離心分離。該方法的優(yōu)點(diǎn)是效率高，適用于工業(yè)生產(chǎn)；采用物理過程，產(chǎn)物清潔無污染，制備的MoS2可用于光伏電池、鋰離子電池等領(lǐng)域；而且該方法可以廣泛應(yīng)用于細(xì)化、剝離其他層狀硫化物材料。
【專利說明】一種制備納米層狀二硫化鉬的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種制備納米層狀二硫化鑰的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米層狀二硫化鑰是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的二維納米材料，分為單層二硫化鑰和多層二硫化鑰，單層二硫化鑰是由上下兩層硫原子以及中間一層鑰原子組成的“三明治結(jié)構(gòu)”，鑰原子與硫原子以共價(jià)鍵結(jié)合形成二維原子晶體；而多層二硫化鑰則是由若干單層二硫化鑰依靠層間較弱的范德華力組成，層間距約為0.65nm。這種結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，因而使其成為材料領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，在潤滑涂層、鋰離子電池、染料敏化太陽能電池、儲(chǔ)氫、催化等領(lǐng)域均展現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]對(duì)其性能及應(yīng)用有重要影響是納米層狀二硫化鑰的尺寸及層數(shù)等。因?yàn)殡S二硫化鑰層數(shù)的不同，其能帶隙可在1.29~1.90eV間改變，這將直接影響其作為光伏活性材料的應(yīng)用。作為染料敏化太陽能電池的對(duì)電極，二硫化鑰的主要作用是將13_催化還原成1_，從而實(shí)現(xiàn)染料的再生，由于這一過程是發(fā)生在固-液界面的電化學(xué)催化反應(yīng)，因而降低二硫化鑰尺寸及層數(shù)從而提高其比表面積可大大提升其催化效能；同理，作為潤滑涂層時(shí)，層數(shù)較少的二硫化鑰具有更好的分散性，可以更大程度發(fā)揮其二維材料的優(yōu)勢，提高涂層致密度、表面光潔度、結(jié)合力等。綜上所述，諸多的應(yīng)用領(lǐng)域都對(duì)使用的二硫化鑰材料提出了小尺寸、少層數(shù)的共同要求。
[0004]目前納米制備納米層狀二硫化鑰的方法主要分為兩大類，即以高溫硫化法、前驅(qū)體分解法、水熱法、氣相沉積等為代表的“由下至上”法和以微機(jī)械力剝離、鋰離子插層、液相超聲為代表的“由上至下”法。其中“由上而下”法具有原料易得、產(chǎn)物缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模制備方面具有明顯優(yōu)勢，而每種方法都有其各自優(yōu)缺點(diǎn)，其中微機(jī)械力剝離法操作簡單、剝離程度高，但規(guī)模小、無法廣泛應(yīng)用；鋰離子插層法剝離效率高，但制備條件嚴(yán)格，且插層后二硫化鑰容易發(fā)生二次團(tuán)聚。相對(duì)而言，液相超聲法操作簡單、產(chǎn)物缺陷少，被認(rèn)為是最有希望大規(guī)模應(yīng)用的納米二硫化鑰制備方法，然而其較低的剝離效率直接限制了該方法的發(fā)展和應(yīng)用。
[0005]液相超聲剝離制備納米層狀二硫化鑰是將大尺寸二硫化鑰在有機(jī)溶劑或表面活性劑(膽酸鈉等)的水溶液中長時(shí)間超聲，再通過高速離心將剝離的二硫化鑰分離出來。但在研究中發(fā)現(xiàn)，超聲16h獲得的二硫化鑰分散液濃度僅為0.5mg/mL，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)率僅為10%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前常規(guī)細(xì)化剝離硫化物的方法效率低、能耗大的不足，提出一種簡單高效的方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種制備納米層狀二硫化鑰的方法，其包括如下步驟:[0009]a)將二硫化鑰粉體加入到液氮中，進(jìn)行攪拌或超聲，直至液氮完全揮發(fā)；
[0010]b)將經(jīng)步驟a)處理過的二硫化鑰粉體加入有機(jī)溶劑中，進(jìn)行超聲處理，得到分散液；
[0011]c)將步驟b)得到的分散液進(jìn)行離心分離。
[0012]作為一種優(yōu)選方案，步驟a)中，二硫化鑰的添加量為液氮質(zhì)量的0.1~10%。
[0013]作為一種優(yōu)選方案，步驟b)中，有機(jī)溶劑的添加量為二硫化鑰質(zhì)量的20~1000倍。
[0014]作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟b)中所述的有機(jī)溶劑為N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)中的一種。
[0015]作為一種優(yōu)選方案，步驟b)中所述的超聲處理的時(shí)間為0.5~10小時(shí)。
[0016]作為一種優(yōu)選方案，步驟c)中所述的離心分離是在500~30000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的，離心分離的時(shí)間為10秒~1.5小時(shí)。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:采用物理過程，效率高，對(duì)消減MoS2層數(shù)及水平尺寸均具有較高效率，設(shè)備簡單，工藝過程易控制，綜合制備成本較低；易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)規(guī)模，有利于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)；液氮對(duì)產(chǎn)物不產(chǎn)生任何污染，因而過程清潔，制備的MoS2可用于二次電池、太陽能電池等領(lǐng)域；幾乎適用于所有層狀無機(jī)非金屬材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為MoS2原料粉體的TEM照片；
[0019]圖2為MoS2原料粉體經(jīng)液氮處理20min后的TEM照片；
[0020]圖3為MoS2原料粉體液氮處理20min后超聲4h的TEM照片；
[0021 ] 圖4為MoS2原料粉體未經(jīng)液氮處理直接超聲4h后的SEM照片；
[0022]圖5為MoS2原料粉體經(jīng)液氮處理20min、有機(jī)溶劑中超聲3h、最后在2000rpm/30min離心后的SEM照片；
[0023]圖6為MoS2-NMP穩(wěn)定分散液的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0025]實(shí)施例1
[0026]將0.8g MoS2粉體加入裝有IOOmL液氮的塑料容器中，并不斷用塑料棒手動(dòng)攪拌，MoS2粉體在液氮中分散均勻，并在沸騰的液氮的作用下來回游動(dòng)，約20min后液氮揮發(fā)完全；在上述容器中加入100gNMP,探頭超聲4h后，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下離心30min ;作為對(duì)比樣品，另將MoS2粉體不經(jīng)過液氮處理，直接進(jìn)行超聲、離心，超聲和離心的操作條件不變。
[0027]MoS2粉體的TEM照片如圖1所示，主要由尺寸為2~8微米的片狀MoS2組成；圖2為MoS2粉體在液氮中處理20min后的TEM照片如圖2所示，液氮處理后MoS2的顆粒尺寸明顯下降，絕大多數(shù)顆粒尺寸在I~2微米范圍內(nèi)，還有少量幾百納米的MoS2碎片；將液氮處理的MoS2在NMP中超聲4h后的尺寸如圖3a所示，由圖可見，超聲后MoS2尺寸明顯減小，均在幾百納米左右，同時(shí)，其片層厚度如圖3b所示，MoS2的片層也明顯變薄，層厚在5~15nm之間。
[0028]作為對(duì)比，未經(jīng)液氮處理直接超聲4h獲得的MoS2的TEM照片如圖4所示，MoS2尺寸為I~3微米，層厚在20~30nm左右?？梢姡旱幚硪氲娜毕輰?duì)提高超聲處理效率、細(xì)化和剝離MoS2具有重要作用。
[0029]實(shí)施例2
[0030]將0.8g MoS2粉體加入裝有IOOmL液氮的塑料容器中，并不斷用塑料棒手動(dòng)攪拌，MoS2微粒在液氮中分散均勻，并在沸騰的液氮的作用下來回游動(dòng)，約20min后液氮揮發(fā)完全；在上述容器中加入100gNMP,探頭超聲4h后，在4000rpm的轉(zhuǎn)速下離心30min ;作為對(duì)比樣品，另將MoS2粉體不經(jīng)過液氮處理，直接進(jìn)行超聲、離心，超聲和離心操作條件不變。
[0031]離心后樣品的TEM照片如圖5所示，離心后MoS2片的尺寸在100~500nm之間，厚度在4~5nm左右。
[0032]圖6中，左側(cè)的樣品為MoS2粉體經(jīng)20min液氮處理、4h超聲和4000rpm/30min離心分離的分散液，右面為MoS2粉體未經(jīng)液氮處理直接超聲4h和4000rpm/30min離心分離的樣品。由圖可見，液氮處理后再超聲的樣品具有極高的分散性，高速離心分離后仍具有較高的濃度，為而未經(jīng)液氮處理的樣品超聲后分散性不好，高速離心后分散液顏色很淺。通過紫外-可見吸收光譜進(jìn)行定量分析的結(jié)果表明，經(jīng)液氮處理過的樣品和未經(jīng)液氮處理過的樣品的濃度分別為5.03mg/mL和0.053mg/mL，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定MoS2的產(chǎn)率分別為62.9%和0.67%。
[0033]實(shí)施例3
[0034]將0.Sg MoS2粉體加入裝有20mL液氮的塑料容器中，并不斷用塑料棒手動(dòng)攪拌，MoS2微粒在液氮中分散均勻，并在沸騰的液氮的作用下來回游動(dòng)，約IOmin后液氮揮發(fā)完全。在上述容器中加入100gNMP,探頭超聲3h后，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下離心30min，獲得的MoS2樣品的尺寸為150~800nm`之間，厚度為4~8nm，紫外可見吸收光譜定量分析表明濃度為4.43mg/mL，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定MoS2的產(chǎn)率為55.4%。
[0035]實(shí)施例4
[0036]將0.8g MoS2粉體加入裝有IOOmL液氮的帶蓋塑料容器中，同時(shí)采用四氟乙烯攪拌槳機(jī)械攪拌；MoS2微粒在液氮中分散均勻，并在沸騰的液氮的作用下來回游動(dòng)，約20min后液氮揮發(fā)完全；在上述容器中加入100gNMP,探頭超聲IOh后，2000rpm離心30min。獲得的MoS2樣品的尺寸為100~300nm之間，厚度為2~4nm，濃度為1.02mg/mL，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定MoS2的產(chǎn)率為87.8%。
[0037]最后有必要在此說明的是:以上實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種制備納米層狀二硫化鑰的方法，其特征在于，包括如下步驟: a)將二硫化鑰粉體加入到液氮中，進(jìn)行攪拌或超聲，直至液氮完全揮發(fā)； b)將經(jīng)步驟a)處理過的二硫化鑰粉體加入有機(jī)溶劑中，進(jìn)行超聲處理，得到分散液； c)將步驟b)得到的分散液進(jìn)行離心分離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟a)中，二硫化鑰的添加量為液氮質(zhì)量的 0.1 ~10%o
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟b)中，有機(jī)溶劑的添加量為二硫化鑰質(zhì)量的20~1000倍。
4.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于:步驟b)中所述的有機(jī)溶劑為N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟b)中所述的超聲處理時(shí)間為0.5~10小時(shí)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟c)中所述的離心分離是在500~30000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，離心分離的時(shí)間為10秒~1.5小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C01G39/06GK103641172SQ201310704356
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】劉陽橋, 馮景偉, 孫靜, 高濂, 王焱, 謝曉峰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所