[发明专利]高纯度高密度MoO2层片状纳米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高纯度、高密度MoO₂层片状纳米结构的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

纳米材料比起传统块体材料在性能上往往有着不可比拟的优势。随着纳米技术的发展，材料制备工艺也不断丰富起来。近年来，随着石墨烯的发现，人们的目光又投向了二维纳米材料。由于其特殊的微观结构和性质，二维纳米材料已经广泛应用于二极管、电子管，在催化剂、锂电池、电化学等方面也有着广泛的应用前景。

过渡金属氧化物MoO₂属于单斜晶系，具有畸变的金红石晶体结构。在MoO₂中,氧离子紧密堆积成八面体,Mo原子占据半个畸变的八面体空位，八面体行列间再共顶相连形成MoO₂的三维网络状结构。八面体行列间具有隧道状空隙,该空隙可以嵌入Li离子，因此MoO₂能被锂离子电池等领域。

此外，由于MoO₂结构中的单斜结构的对称性相对比较低，而且MoO₂每个八面体中的Mo原子偏离中心位置，使得MoO₂具有金属导电性，所以其层片状纳米结构能够用于制作纳米电学器件，而当其用于Li离子电池中的电极材料时，对于提高电池性能也有重要的帮助。但是，目前MoO₂层片状纳米结构的高质量合成仍然是一个难题。

一般来讲，纳米结构的制备方法可以分为化学法和物理法两大类。溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法制备MoO₂材料都属于化学方法。相较于化学反应的复杂、难于控制以及需要后续的提纯除杂等工序，热蒸发等物理气相沉积具有成本低、制备过程简单、工艺参数可控性强和制备材料多为晶体等特点。而目前采用气相沉积方法制备MoO₂纳米结构的方法一般是在气氛下氧化金属钼（粉），或者采用H₂还原钼化合物（如MoO₃粉）。前者反应剧烈、难于控制，后者使用易燃易爆的氢气，因此二者都具有一定危险性；且两种方法的产率均比较低。本发明首次利用热蒸发技术，以S粉和MoO₃粉作为蒸发源，在基片上沉积得到了高纯度、高密度的MoO₂层片状纳米结构。用这种方法制备得到的MoO₂层片状纳米结构产量大、收率高，形貌规整，无需后处理，且该方法反应平和、进程易于控制，更安全、经济和环境友好。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高纯度、高密度二氧化钼（MoO₂）层片状纳米结构的制备方法；该方法在真空加热炉中，采用三氧化钼（MoO₃）和硫（S）粉作为蒸发源，在真空环境中通过热蒸发的方法，在载气作用下，在基片上控合成和生长MoO₂层片状纳米结构。该方法具有反应平和、纳米材料的合成与生长条件严格可控、设备和工艺简单、产品收率和纯度高、成本低廉、环保等优点；且通过精确控制制备工艺中参数，所获得的MoO₂层片状纳米结构，厚度在200 nm以内，直径在1-3 μm之间，产物密度高，纳米结构的厚度分布均匀，形状清晰完整，可望在电子器件、锂离子电池等方面获得广泛应用。

本发明提出的MoO₂层片状纳米结构制备方法，其特征在于，所述方法在真空加热炉中、在载气带动下，通过热蒸发MoO₃和S粉的方法，在基片上沉积得到MoO₂层片状纳米结构。

本发明提出的层片状纳米结构制备方法，包括以下步骤和内容：

（1）在双温区真空管式炉中，将分别装有MoO₃粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚、或者装有MoO₃粉和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域，在其气流下游10-40 cm处的低温加热区放置基片；

（2）在加热前，先用真空泵对整个系统抽真空至0.05Pa以下，然后向系统中通入高纯惰性载气，并重复多次，以排除系统中的残余氧气。然后将高温加热区以10-35 ℃/min速率升温到800-1000 ℃，将低温加热区以10-40 ℃/min速率升温到400-650 ℃，保温1-4小时。在加热过程中，在真空系统持续工作的前提下通入载气并保持载气流量为50-300标准立方厘米每分钟（sccm），且整个加热过程在惰性载气保护下完成，最后自然降温到室温，即可在基片上得到高纯度的MoO₂层片状纳米结构。