一種制備單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種制備單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的方法，具體過程為：以硫代鉬酸銨和鋰鹽化合物為原料，通過簡單的溫度控制可以合成為插鋰的2H相硫化鉬塊體，插鋰的2H相硫化鉬塊體可以在水中水解自行剝離成2H相單層MoS2納米片，再與氧化石墨烯自組裝形成單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)工藝操作簡單，反應(yīng)條件溫和，所用試劑價(jià)格低廉，綠色環(huán)保。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的合成
，具體涉及一種制備單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的方法。
技術(shù)介紹
二硫化鉬具有典型三明治層狀結(jié)構(gòu)，由于其層間相對較弱的范德華力，也可以剝離成單層或少層數(shù)的納米片，被認(rèn)為是另外一種相當(dāng)重要的二維納米片材料，具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和電學(xué)特性。Radisavljevic等人測試表明單層MoS2的電導(dǎo)率要比塊體MoS2提高100個(gè)數(shù)量級，使得其在電子器件及電子傳感器中有著優(yōu)越的性能（Nat.Nanotechnol.2011,6,147）；Mak等人通過計(jì)算模擬表明MoS2從塊體剝離至單層，由于量子限域效應(yīng)，其禁帶寬度由間接帶隙的1.3eV增大為直接帶隙的1.8eV，使得光生電子空穴的分離能力提高（Phys.Rev.Lett.2010,105）；Hinnemann等人通過密度函公式計(jì)算納米級MoS2的暴露活性邊緣的吸附氫吉布斯自由能，發(fā)現(xiàn)其邊緣有很強(qiáng)的氫吸附能力，并有著金屬Pt一樣接近零吉布斯自由能的析氫性能，從而推斷出單層的MoS2擁有更多的暴露活性邊緣，很有希望成為替代Pt作為析氫材料的催化劑（J.Am.Chem.Soc.2005,127,5308）。ChenW.X.等人研究表明，單層MoS2在與碳基材料復(fù)合時(shí)，有著超高的容量貢獻(xiàn)（>1500mAh/g），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其塊體材料的理論值（J.Mater.Chem.2011,21,6251）。二硫化鉬存在三種相態(tài)，即1T、2H和3R相。其中，1T相是MoS2以一個(gè)S-Mo-S單分子層作為最小重復(fù)單元堆疊，而2H和3R相是以兩個(gè)和三個(gè)S-Mo-S單分子層作為最小重復(fù)單元堆疊。自然界中大部分MoS2是以2H穩(wěn)定相存在的，1T和3R相屬于亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，在一定條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)?H相。由于單層2H相的MoS2已經(jīng)失去了雙分子層為最小重復(fù)單元的特性，因此也被稱為1H相。不同相態(tài)的MoS2材料所呈現(xiàn)的物理化學(xué)特性也不盡相同。例如，2H態(tài)MoS2材料展現(xiàn)出禁帶寬度為1.3-1.9eV的半導(dǎo)體特性，其通過層數(shù)的多少來調(diào)節(jié)禁帶寬度的大小；而1T態(tài)的MoS2材料則呈現(xiàn)出金屬特性，其優(yōu)越的導(dǎo)電性在催化水分解制氫以及超級電容領(lǐng)域取得了重要的突破（AdvancedEnergyMaterials,2016,DOI:10.1002/aenm.201502555）。雖然單層MoS2納米材料在熱、電、光、力學(xué)等方面的性質(zhì)及其在光電子器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用引起了科研人員的廣泛關(guān)注。然而，一般的化學(xué)、物理法難以制備出純單層結(jié)構(gòu)的MoS2納米材料，尤其是不同相態(tài)的單層硫化鉬剝離制備。目前制備單層MoS2納米材料的主要有微機(jī)械力剝離法、化學(xué)氣相沉積法、鋰離子插層法以及液相超聲法等，這些剝離方法不僅操作繁瑣，工藝復(fù)雜，而且單層MoS2的產(chǎn)量極低，大部分是厚度為1-100nm的少層數(shù)MoS2納米片，而非真正意義上的單層MoS2。除了難以高效率地剝離制備單層MoS2納米片外，MoS2納米片只能在諸如二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮等高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑中剝離和保存，而這些有機(jī)溶劑粘度大、沸點(diǎn)很高，在離心收集過程中，單層或少層數(shù)MoS2又重新聚集成多層MoS2納米片，從而限制了單層MoS2納米片在一些科研或工業(yè)領(lǐng)域的探索和應(yīng)用。此外，MoS2納米片在實(shí)際應(yīng)用研究過程中，常與無定型碳、碳納米管、碳纖維以及石墨烯等碳材料復(fù)合，以增加其導(dǎo)電性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)解決的技術(shù)問題是提供了一種簡單、安全、高效且適合規(guī)模化生產(chǎn)的制備單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的方法，該方法是以硫代鉬酸銨和鋰鹽化合物為原料，在一定溫度下熱處理得到2H相的插鋰Li2MoS2塊體，插鋰Li2MoS2塊體在去離子水中水解自行剝離，再與添加的氧化石墨烯自組裝成單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料，制得的單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料既可以提高材料的導(dǎo)電性能，又可以有效抑制單層2H相二硫化鉬的團(tuán)聚。本專利技術(shù)為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種制備單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的方法，其特征在于具體步驟為：（1）將硫代鉬酸銨和鋰鹽化合物按1:2摩爾比混合研磨，研磨后的混合物在惰性氣體保護(hù)下于200-400℃保溫1-10h，冷卻至室溫得到插鋰的2H相硫化鉬塊體；（2）將插鋰的2H相硫化鉬塊體直接置于去離子水中，輔助超聲水解剝離5-30min，再將得到的懸浮液置于離心機(jī)中，經(jīng)離心分離去除未剝離的沉淀物后得到單層2H相MoS2納米片懸浮液；（3）將氧化石墨烯加入到單層2H相MoS2納米片懸浮液中，超聲分散5-10min，然后加入水合肼繼續(xù)超聲0.5-2h得到單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液；（4）將得到的單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液在離心機(jī)上分別用水和乙醇離心洗滌去除可溶性雜質(zhì)，最后將沉淀物單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料分散于小分子溶劑中保存，其中單層2H相MoS2納米片的厚度小于1nm。進(jìn)一步限定，步驟（1）中所述的鋰鹽化合物為氫氧化鋰、氯化鋰、醋酸鋰、碳酸鋰、硫酸鋰或硝酸鋰中的一種或多種。進(jìn)一步限定，步驟（2）中所述的離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，步驟（4）中所述的離心機(jī)轉(zhuǎn)速為4000-20000r/min。進(jìn)一步限定，步驟（3）中所述的氧化石墨烯與單層2H相MoS2納米片懸浮液中MoS2的質(zhì)量比為0.005-0.2:1。進(jìn)一步限定，步驟（4）中所述的小分子溶劑為水、甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮或N-甲基甲酰胺。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本專利技術(shù)以硫代鉬酸銨和鋰鹽化合物為原料，通過簡單的溫度控制可以合成為插鋰的2H相硫化鉬塊體，插鋰的2H相硫化鉬塊體可以在水中水解自行剝離成2H相單層MoS2納米片，再與氧化石墨烯自組裝形成單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料，并且可以在水、乙醇等小分子溶劑中穩(wěn)定存在；2、本專利技術(shù)得到的2H相單層MoS2納米片的厚度小于1nm，而非現(xiàn)有技術(shù)中的1-100nm厚度的MoS2納米片；3、本專利技術(shù)合成的單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料可以用于單層硫化鉬在光析氫、電催化和儲能等領(lǐng)域的研究；4、本專利技術(shù)工藝操作簡單，反應(yīng)條件溫和，所用試劑價(jià)格低廉，綠色環(huán)保。具體實(shí)施方式以下通過實(shí)施例對本專利技術(shù)的上述內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不應(yīng)該將此理解為本專利技術(shù)上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本專利技術(shù)上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本專利技術(shù)的范圍。實(shí)施例1分別稱取0.008mol的氫氧化鋰和0.004mol的硫代鉬酸銨，在瑪瑙研缽中混合研磨1h，將研磨后的混合物置于剛玉坩堝中，放置在管式爐中，通氬氣保護(hù)，程序升溫至400℃，保溫1h，然后繼續(xù)通氬氣自然降溫至室溫，得到插鋰的2H相硫化鉬（Li2MoS4）塊體；將插鋰的硫化鉬塊體置于盛有100mL去離子水的容器中，超聲分散10min，分散后的懸浮液在轉(zhuǎn)速為1000r/min的離心機(jī)上離心分離沉淀；根據(jù)去除沉淀后懸浮液中的二硫化鉬含量加入1:0.005質(zhì)量比的氧化石墨烯，超聲分散10min后加入0.5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的水合肼，繼續(xù)超聲0.5h得到單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液；將得到的單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液在轉(zhuǎn)速為4000r/min的離心機(jī)上分別用水和乙醇本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種制備單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的方法，其特征在于具體步驟為：（1）將硫代鉬酸銨和鋰鹽化合物按1:2摩爾比混合研磨，研磨后的混合物在惰性氣體保護(hù)下于200?400℃保溫1?10h，冷卻至室溫得到插鋰的2H相硫化鉬塊體；（2）將插鋰的2H相硫化鉬塊體直接置于去離子水中，輔助超聲水解剝離5?30min，再將得到的懸浮液置于離心機(jī)中，經(jīng)離心分離去除未剝離的沉淀物后得到單層2H相MoS2納米片懸浮液；（3）將氧化石墨烯加入到單層2H相MoS2納米片懸浮液中，超聲分散5?10min，然后加入水合肼繼續(xù)超聲0.5?2h得到單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液；（4）將得到的單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液在離心機(jī)上分別用水和乙醇離心洗滌去除可溶性雜質(zhì)，最后將沉淀物單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料分散于小分子溶劑中保存，其中單層2H相MoS2納米片的厚度小于1nm。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種制備單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的方法，其特征在于具體步驟為：（1）將硫代鉬酸銨和鋰鹽化合物按1:2摩爾比混合研磨，研磨后的混合物在惰性氣體保護(hù)下于200-400℃保溫1-10h，冷卻至室溫得到插鋰的2H相硫化鉬塊體；（2）將插鋰的2H相硫化鉬塊體直接置于去離子水中，輔助超聲水解剝離5-30min，再將得到的懸浮液置于離心機(jī)中，經(jīng)離心分離去除未剝離的沉淀物后得到單層2H相MoS2納米片懸浮液；（3）將氧化石墨烯加入到單層2H相MoS2納米片懸浮液中，超聲分散5-10min，然后加入水合肼繼續(xù)超聲0.5-2h得到單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液；（4）將得到的單層2H相MoS2/石墨烯懸浮液在離心機(jī)上分別用水和乙醇離心洗滌去除可溶性雜質(zhì)，最后將沉淀物單層2H相二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料分散于小分子溶劑中保存，其中單層2H相MoS2納米片的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：常焜，李熠輝，湯宏偉，李苞，上官恩波，常照榮，
申請(專利權(quán))人：河南師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：河南;41