[发明专利]一种超声辅助化学插层制备二硫化钼纳米片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声辅助化学插层制备二硫化钼纳米片的方法，属于纳米材料的制备技术，特别是涉及化学插层实现二硫化钼纳米片制备的方法。

背景技术

二硫化钼是一种具有代表性的二维过渡金属硫族化合物。该类层状化合物具有独特的硫族元素-金属元素-硫族元素的“三明治”结构，其中层内的金属原子与硫族元素原子采用较强的共价键结合，而层与层之间依靠较弱的范德华作用力结合。由于具有独特的物理化学性质，二硫化钼被应用于固体润滑、加氢脱硫催化等领域。

由于过渡金属硫族化合物具有二维层状结构，当其几何尺寸，尤其是厚度减小到纳米尺度范围内时，受到量子限域等效应影响，表现出一系列独特的光电性质。比如，块体二硫化钼是间接带隙半导体，而单层二硫化钼则是直接带隙的半导体，其能带隙为1.8eV，并具有显著的光致荧光现象，从而成为一种新型的二维半导体纳米材料。相对于没有能带隙的石墨烯，单层二硫化钼具有直接带隙，而且载流子传输速率较高，非常适于场效应晶体管、光探测器、太阳能电池等光电子器件。此外，单层或者数层的二硫化钼纳米片在新能源、生物传感、光电化学催化、疾病治疗等领域都获得了重要应用。

目前用于制备二硫化钼纳米片的方法主要有机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积(CVD)法、胶体化学法、化学插层法、电化学插层法等。其中，机械剥离法和CVD法都存在难以批量生产的问题；液相剥离法操作简单，但是难以得到较薄的纳米片；胶体化学法的产量较高，但是可控性和重复性较差；电化学插层法制备的二硫化钼纳米片较薄，但放电过程可能导致二硫化钼分解，且制备工艺复杂，产量较低。例如文献Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50,11093-11097中报道的电化学锂插层法可制备单层或数层的二维过渡金属硫化合物纳米片，但是该方法需要构建锂电池，对工艺提出了较高的要求，单次反应产量在毫克级，不易大批量生产。相对以上几种方法，传统的化学插层法操作较为简单，适用性较广，但是反应时间较长，一般需要反应48h；或者反应条件较苛刻，需要高温、高压，因而限制了其应用。例如，专利CN103480856A报道了将二硫化钼粉末与丁基锂的混合液磁力搅拌进行化学插层，然后通过与水反应从而制备二硫化钼纳米片的方法，能剥离出较薄的片层，但是反应时间相对较长，需要48h。专利CN103833081A报道了一种需要在50～150℃加热下反应0.5～12h的化学插层法，虽然能够获得较薄的二硫化钼纳米片层，但是该方法反应时间长，而且还需要较高的反应温度，使得反应具有一定危险性；专利CN103803651A报道的化学插层法需要将二硫化钼与碳酸锂在200℃下反应48h，存在反应时间长、反应温度与压力高等不足，而且所得二硫化钼片层较厚。

相对于传统的化学插层法，本发明利用超声加速二硫化钼的化学插层过程，不仅反应时间大大缩短，而且单层或数层二硫化钼纳米片的产率更高，同时反应无需高压装置，反应条件温和，制备工艺简单，有利于大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声辅助化学插层制备二硫化钼纳米片的方法，该方法反应速度快，反应产率高，反应条件温和，能够有效解决现有二硫化钼纳米片制备方法的速度慢、产率低、条件苛刻、操作复杂等问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种超声辅助化学插层制备二硫化钼纳米片的方法，包括如下步骤：

步骤1：将二硫化钼粉末和正丁基锂在高纯氩气的保护条件下，室温下超声0.3～3h。

步骤2：除去未反应的正丁基锂，得到锂插层二硫化钼粉末，加入预先除氧的超纯水，在超声条件下反应0.5～2h，剥离得到二硫化钼纳米片的粗产物。

步骤3：量取一定量乙醇，将反应所得二硫化钼纳米片与乙醇配成悬浮液，在10000～26000rpm转速条件下离心5～20min，弃去上层清液，收集离心管底部产物；重复以上步骤，对二硫化钼纳米片重新洗涤一次，保留离心管底部的产物。

步骤4：量取一定量的超纯水，与所得二硫化钼纳米片配成悬浮液，在2000～8000rpm转速条件下离心10～40min，弃去沉淀，将上层产物在10000～26000rpm的条件下离心10～100min，弃去上层清液，保留底部的分离产物。将产物分散到一定量超纯水中，重复以上离心纯化步骤，得到最终产物。

上述制备方法中步骤1中二硫化钼粉末和正丁基锂摩尔比为：1:1～12。

上述制备方法中步骤3中二硫化钼纳米片与乙醇配成5～20mg/ml的悬浮液。