[发明专利]具有良好电催化产氢性能的超薄单层金属性二硒化钒纳米片的宏量制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单层、超薄、具有金属性的纳米材料，具体讲二硒化钒超薄纳米片的宏量制备方法。

背景技术

近年来，石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，引起了材料界对石墨烯、类石墨烯等二维纳米材料研究的狂热。石墨烯其优良的导电性源于其超高的电子迁移率，其优异的力学性能源于其晶格中规则排列的碳原子形成的SP²杂化。二维晶体通常显现出独特的电学、光学以及磁学性质，自身具有独特的结构优势，这为探索新型电催化剂和能源存储材料指引了方向。由于二维过渡金属硫族化合物独特的物理、化学性质，探索新型的性能更加优异的超薄纳米材料如MoS₂, MoSe₂, WS₂, VS₂等而成为材料研究的热点。VSe₂是典型的过渡金属硫族材料，单层的VSe₂是由金属钒原子和硒原子按照三明治结构形成的Se−V−Se图层根据范德华力相互作用组成。硒化钒本体材料具有优良的力学、磁学及电学性能，可作为磁电子学器件、超级电容器材料等。而本专利首次探索了其电催化产氢性能，本发明所制备的硒化钒单层纳米片具有较低的析氢电位、较高的电流密度、较低的电阻，电阻达到2Ω，在电流密度为10mA/cm²时析氢电位可达到204mV。其优异的电催化性能有望替代昂贵的金属铂进行电催化产氢。

发明内容

本发明的目的是提供一种单层、超薄纳米片的宏量制备方法。该方法探索了不同条件对纳米晶体XRD及形貌的影响，比如改变反应温度、反应溶剂、反应原料及反应时间。得出了通过控制反应时间来控制纳米片的生长，使片层结构由单层、小尺寸向多层、大尺寸的生长。该方法确定了结晶性好、单层、形貌均一的硒化钒纳米片结构的反应条件，并且产物具有的优良电催化产氢性能。

单层、超薄硒化钒纳米片的宏量制备方法，其特征在于将乙酰丙酮氧钒、硒粉与油胺溶液混合，混合后在一定温度抽真空后再升温到一定温度反应一定时间。控制不同反应时间,可以得到单层片至多层片。本发明的优点在于反应是在三口瓶中进行，一步法加入所有原料进行反应。反应条件的改变容易操作，并且反应安全易控制。

具体实施方式

操作时首先称取一定量的乙酰丙酮氧钒，再称取一定量的硒粉，并加入到油胺溶剂中搅拌均匀。在一定温度下抽真空、通氮气反复多次，以排除溶液里的水分、氧气以及其他易挥发的杂质。再将混合均匀的溶液升温至230-330^oC反应，升温及反应过程都要通氮气。反应温度在330^oC之前，反应物都没有反应完全，杂质的含量随着温度的升高逐渐减少，直到330^oC时完全反应生成纯净的二硒化钒纳米晶体。在330^oC时，调控反应时间0min-1.5h，在反应时间1.5h时，得到结晶性好、超薄、单层的VSe₂纳米片。收集VSe₂纳米片的方法是：将反应后的混合溶液转移至离心管加入乙醇离心，在得到的沉淀产物中加入一定比例的环己烷和乙醇继续洗涤几次，最后在真空干燥箱中60^oC下干燥。

附图说明：

图1:不同反应温度下合成的VSe₂纳米晶体的XRD；

图2：不同反应温度下合成的VSe₂纳米晶体的XRD；

图3：330^oC反应1.5h的VSe₂纳米片的XRD（图a）、TEM（图b），单层、超薄小片；

图4：30^oC反应1.5小时制备的VSe₂超薄纳米片的线性扫描伏安特性曲线(图a)、阻抗谱图(图b)、循环稳定性曲线（图c），电阻达到2Ω，在电流密度为10mA/cm2时析氢电位可达到204mV。

实施例1

操作时，称取9mmol乙酰丙酮氧钒，18mnol硒粉，40ml油胺溶剂一起加入到100ml的三口烧瓶中进行搅拌。然后升温至140^oC，抽真空10min、通氮气5min反复三次。再升温至330^oC，反应1.5h后停止反应冷却至室温。将产物转移至四个50ml离心管中，分别加入25ml乙醇，在5000rpm下离心5min，沉淀产物用1:2（V：V）环己烷：乙醇洗涤两次，再在真空干燥箱中60^oC下干燥，最后得到结晶性好、单层、超薄的硒化钒纳米片（如图3）。