CN104091947B - Ws2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料及其制备方法，其由少层数的WS2纳米瓦/石墨烯复合构成，WS2纳米瓦的层数在2~6层，平均层数为3~5层，WS2纳米瓦与石墨烯之间的物质的量之比为 1:1-1:4。其制备方法是首先将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，再加入双子表面活性剂，并充分搅拌，然后依次加入L-半胱氨酸和硫代钨酸铵，并充分搅拌使其溶解，将上述混合分散体系转移到水热反应釜中，于230-250℃下水热反应20-24 h后，自然冷却至室温，离心收集固体产物，用去离子水充分洗涤，干燥，最后热处理得到WS2纳米瓦/石墨烯复合纳本材料。本发明的方法简单、方便，不需要消耗有机溶剂。
Description
技术领域
本发明涉及复合纳米材料及其制备方法，尤其涉及WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料及其水热制备方法，属于无机复合纳米材料技术领域。
背景技术
二维超薄纳米片材料以其独特的形貌具有众多优异的特性，其研究引起了人们的极大兴趣。石墨烯是最典型的二维纳米片材料，其独特的二维纳米片结构使其众多独特的物理、化学和力学等性能，具有重要的科学研究意义和广泛的技术应用前景。石墨烯具有极高的比表面积、高的导电和导热性能、高的电荷迁移率，优异的力学性能，这些优异的特性使得石墨烯在微纳米电子器件、储能材料和新型的催化剂载体等方面具有广泛的应用前景。
石墨烯的发现及其研究取得的巨大成功激发了人们对其他无机二维纳米片材料研究的极大兴趣，如单层或少层数的过渡金属二硫化物等。作为一种典型和重要的过渡金属二硫化物，WS2具有与石墨类似的层状结构，其层内是共价键结合的S-W-S单元，层与层之间的结合是较弱的范德华力。这种典型层状结构和弱的范德华力，使WS2作为固体润滑剂具有较低的摩擦因数，特别是在高温、高真空等条件下仍具有较低的摩擦系数，是一种优良的固体润滑剂。另外，层状结构WS2可以允许外来的原子或离子的嵌入，因此WS2层状化合物也是一种很有发展前途的电化学储锂和储镁电极材料。
最近，石墨烯概念已经从碳材料扩展到其他层状结构的无机化合物，也就是对于层状结构的无机材料，当其层数减少时(约7层以下)，尤其是减少到单层时，其电子性质或能带结构会产生明显的变化，从而导致其显示了与相应体相材料不同的物理和化学特性。除了石墨烯外，最近研究表明当体相WS2减少到少层数（尤其是单层时），显示了与体相材料明显不同的物理、化学和电子学特性。有研究报道单层或少层数的WS2具有更好的电化学贮锂性能和高的电催化析氢反应活性。但是作为电化学反应的贮锂电极材料和电催化材料，WS2的层与层之间低的导电性能影响了其应用的性能。
由于WS2纳米片与石墨烯具有类似的二维纳米片形貌，两者在微观形貌和晶体结构上具有很好的相似性。如果将WS2纳米片与石墨烯复合制备两者的复合材料，石墨烯纳米片的高导电性能可以进一步提高复合材料的导电性能，增强电化学贮锂和电催化反应过程中的电子传递，可以进一步改善复合材料的电化学贮锂性能和电催化性能。WS2纳米片的电催化析氢反应的催化活性主要来源于其活性位边缘，增加WS2纳米片的边缘是增强的电催化性能的一个途径。另外，作为电化学贮锂电极材料，更多边缘的WS2纳米片可以提供更多的和相对较短的锂离子扩散通道，有助于增强器电化学贮锂性能。与普通的WS2纳米片比较，小的纳米瓦状形貌的WS2不仅具有较多的边缘，而且其负载在石墨烯上，与电解液具有更多的接触面积，可以增强其电化学贮锂性能。因此，这种WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料作为电化学贮锂电极材料和析氢反应电催化剂具有广泛的应用和增强的电化学性能。
但是，到目前为止，WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料及其制备还未见报道。本发明以氧化石墨烯和硫代钨酸铵为原料，通过双子表面活性剂协助的水热方法和随后的热处理，制备了WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料。这种制备WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料的方法具有简单、方便和易于扩大工业化应用的有点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料及其制备方法，该复合纳米材料是由WS2纳米瓦与石墨烯复合构成，所述WS2纳米瓦为少层数的层状结构，WS2纳米瓦与石墨烯之间的物质的量之比为1:1-1:4。
上述技术方案中少层数的层状结构是指层数在6层或6层以下的层状结构，优选方案下所述WS2纳米瓦的层数为2~6层，平均层数为3~5层。
本发明WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，其制备方法的步骤如下：
（1）将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，然后加入双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵(其结构见附图1的示意图),并充分搅拌；
（2）将L-半胱氨酸和硫代钨酸铵依次加入步骤（1）的混合体系中，并不断搅拌使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，L-半胱氨酸和硫代钨酸铵用量的物质量之比为5:1，硫代钨酸铵与氧化石墨烯的物质量之比在1:1-1:4；
（3）将步骤（2）得到的混合分散体系转移到水热反应釜中，并加入去离子水调整体积至水热反应釜标称体积的80%，双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵的浓度为0.01~0.02mol/L，氧化石墨烯的含量为30-70mmol/L,将该反应釜放入恒温烘箱里，220-250℃下水热反应20-24h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集固体产物，并用去离子水充分洗涤，在100℃下真空干燥；将上述所得到的固体产物在氮气/氢气混合气氛中于800℃下热处理2h，混合气体中氢气的体积分数分数为10%，得到WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料。
上述的氧化石墨烯采用改进的Hummers方法制备。
本发明的用双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵协助的水热方法制备WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料的方法具有以下优点：氧化石墨烯表面和边缘带有很多含氧官能团（如羟基，羰基，羧基），这些含氧官能团使氧化石墨烯更容易地分散在水或有机液体中，但是这些含氧官能团使氧化石墨烯表面带有负电荷，使得氧化石墨烯与带有负电荷的WS4 2-离子不相容，本发明通过静电作用先将双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵吸附到氧化石墨烯表面，使其带有部分正电荷，由于静电作用，WS4 2-离子就很容易与吸附了双子表面活性剂的氧化石墨烯相互作用结合在一起。更重要的是，与普通的单阳离子表面活性剂相比，双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵中有2个带正电的季铵亲水基团，具有足够的亲水性，与带负电的氧化石墨烯之间具有更强的相互静电作用；双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵还有2条疏水的长烷基链基团（其结构如附图1所示的示意图），其疏水性更强。双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵吸附在石墨烯表面，其疏水基团以弯曲的不规则的“刷子头”形式存在（如附图2所示），这种结构形式导致了水热过程和热处理后负载在石墨烯表面的WS2具有纳米瓦的形貌。这种小尺寸的WS2纳米瓦不仅具有较多的活性位边缘，可以增强其对析氢反应的电催化性能，并且可以提供更多的短的锂离子扩散通道，有助理增强其电化学贮锂性能。另外，WS2纳米瓦/石墨烯复合材料可以增加其与电解液的接触面积，进一步有助于改善其电化学性能。本发明的方法具有简单、方便和易于扩大工业化应用的特点。
附图说明
图1双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵结构示意图。
图2双子表面活性剂吸附在氧化石墨烯表面的示意图。
图3实施例1的WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料的XRD图(a)，SEM形貌图(b)和透射电镜照片(c,d)。
图4对比例1制备的WS2纳米片与石墨烯复合纳米材料的TEM和HRTEM照片。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明。
下述实例中的氧化石墨烯采用改进的Hummers方法制备：在0oC冰浴下，将10.0mmol(0.12g)石墨粉搅拌分散到50mL浓硫酸中，不断搅拌下慢慢加入KMnO4，所加KMnO4的质量是石墨粉的4倍，搅拌50分钟，当温度上升至35℃时，慢慢加入50mL去离子水，再搅拌30分钟，加入15mL质量分数30％的H2O2，搅拌30分钟，经过离心分离，依次用质量分数5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨烯。
实施例1
1）将2.5mmol氧化石墨烯超声分散在60mL去离子水中，再加入0.8mmol双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵，并充分搅拌；
2）接着依次加入0.75g(6.25mmol)L-半胱氨酸和1.25mmol硫代钨酸铵，并不断搅拌使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，用去离子水调整体积至约80mL；
3）将所得到的混合液转移到100mL的水热反应釜中，将该反应釜放入恒温烘箱里，230℃下水热反应24h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集固体产物，并用去离子水充分洗涤，在100℃下真空干燥；
4）将上述所得到的固体产物在氮气/氢气混合气氛中于800℃下热处理2h，制备得到WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，混合气体中氢气的体积分数为10%。
用XRD，SEM和TEM对所制备得到WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料进行表征，XRD分析结果表明复合纳米材料中WS2为少层数的层状结构（见附图3（a）），平均层数为4层。SEM形貌(见附图3（b）)和TEM照片(见附图3（c）的透射电镜照片和附图3（d）的高分辨透射电镜照片)也清楚地显示了负载在石墨烯上的WS2具有小的纳米瓦形貌，其层数在2-6层，多数层数为4层，与XRD分析一致。WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料中WS2与石墨烯物质的量之比为1:2。
对比例1
采用十二烷基三甲基溴化铵阳离子表面活性剂，按上述类似方法制备了WS2纳米片与石墨烯的复合纳米材料，具体制备过程如下：
将2.5mmol氧化石墨烯超声分散在60mL去离子水中，再加入1.6mmol十二烷基三甲基溴化铵阳离子表面活性剂，并充分搅拌，然后依次加入0.75g(6.25mmol)L-半胱氨酸和1.25mmol硫代钨酸铵，并不断搅拌使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，用去离子水调整体积至约80mL，将所得到的混合液转移到100mL的水热反应釜中，将该反应釜放入恒温烘箱里，230℃下水热反应24h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集固体产物，并用去离子水充分洗涤，在100℃下真空干燥，将所得到的固体产物在氮气/氢气混合气氛中于800℃下热处理2h，混合气体中氢气的体积分数为10%，制备得到WS2纳米片/石墨烯的纳米复合材料。
用XRD，SEM和TEM对最后制备得到WS2纳米片与石墨烯的纳米复合材料进行表征，XRD分析结果表明复合纳米材料中WS2为层状结构，其平均层数为7层。TEM和HRTEM照片(见图4，其中（a）为透射电镜照片，（b）为高分辨透射电镜照片)显示了负载在石墨烯上的WS2为纳米片的形貌，其尺寸(厚度和平面大小)明显大于WS2纳米瓦的，WS2纳米片的层数约为7层。
电催化反应析氢性能测试比较：将4.0mg实施例1制备的WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料（或对比例1制备的WS2纳米片/石墨烯复合纳米材料）加入1.0mL的去离子水-乙醇混合液体中（体积比1:1），再加入30uL的Nafion溶液（5wt%），超声处理2h，使其充分混合分散均匀，得到均匀的浆料，用移液枪取5uL的混合浆料滴到直径5mm的玻璃碳电极上，80℃下烘干后得到测试工作电极。电解液为0.5M的硫酸水溶液,参比电极为饱和甘汞电极，铂片作为对电极，在CHI660B电化学工作站上用线性电位扫描测试材料对析氢反应的电催化性能，扫描速度为5mV/s。测试结果显示在相同的阴极极化过电位下，WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料电极比WS2纳米片/石墨烯复合纳米材料电极具有更高的析氢反应电流，如：在0.20Vvs.RHE电位下，在WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料电极上电化学催化析氢反应电流位17.2mA，在WS2纳米片/石墨烯复合纳米材料电极上析氢反应电流为6.3mA。对析氢反应电催化性能的增强是由于WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料中小的WS2纳米瓦比WS2纳米片/石墨烯复合纳米材料中WS2纳米片具有更多的活性位边缘。另外，WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料比WS2纳米片/石墨烯复合纳米材料具有更大与电解液接触的面积。
实施例2
1）将2.5mmol氧化石墨烯超声分散在60mL去离子水中，再加入0.8mmol双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵，并充分搅拌；
2）接着依次加入1.50g(12.5mmol)L-半胱氨酸和2.5mmol硫代钨酸铵，并不断搅拌使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，用去离子水调整体积至约80mL；
3）将所得到的混合液转移到100mL的水热反应釜中，将该反应釜放入恒温烘箱里，220℃下水热反应24h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集固体产物，并用去离子水充分洗涤，在100℃下真空干燥；
4）将上述所得到的固体产物在氮气/氢气混合气氛中于800℃下热处理2h，制备得到WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，混合气体中氢气的体积分数为10%。
用XRD，SEM和HRTEM对热处理后所得到最后产物进行表征，表征结果显示最后所得到的产物为WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，WS2纳米瓦平均层数5层，WS2与石墨烯物质的量之比=1:1。
实施例3
1）将3.75mmol氧化石墨烯超声分散在60mL去离子水中，再加入1.2mmol双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵，并充分搅拌；
2）接着依次加入6.25mmolL-半胱氨酸和1.25mmol硫代钨酸铵，并不断搅拌使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，用去离子水调整体积至约80mL；
3）将所得到的混合液转移到100mL的水热反应釜中，并加入去离子水调整体积至80mL，将该反应釜放入恒温烘箱里，240℃下水热反应24h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集固体产物，并用去离子水充分洗涤，在100℃下真空干燥；
4）将上述所得到的固体产物在氮气/氢气混合气氛中于800℃下热处理2h，制备得到WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，混合气体中氢气的体积分数为10%。
用XRD，SEM和HRTEM对热处理后所得到最后产物进行表征，表征结果显示最后所得到产物为WS2-纳米瓦/石墨烯复合纳米材料，WS2纳米瓦平均层数3层，WS2与石墨烯物质的量之比为1:3。
实施例4
1）将5.0mmol氧化石墨烯超声分散在60mL去离子水中，再加入1.6mmol双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵，并充分搅拌；
2）接着依次加入6.25mmol)L-半胱氨酸和1.24mmol硫代钨酸铵，并不断搅拌使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，用去离子水调整体积至约80mL；
3）将所得到的混合液转移到100mL的水热反应釜中，将该反应釜放入恒温烘箱里，250℃下水热反应24h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集固体产物，并用去离子水充分洗涤，在100℃下真空干燥；
4）将上述所得到的固体产物在氮气/氢气混合气氛中于800℃下热处理2h，制备得到WS2-纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，混合气体中氢气的体积分数为10%。
用XRD，SEM和HRTEM对热处理后所得到最后产物进行表征，表征结果显示热处理后得到产物为WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，WS2纳米瓦平均层数3层，其中WS2与石墨烯物质量之比=1:4。
Claims (2)
1.一种WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，其特征在于，该复合纳米材料是由WS2纳米瓦与石墨烯复合构成，所述WS2纳米瓦为少层数的层状结构，WS2纳米瓦与石墨烯之间的物质的量之比为1:1-1:4，所述复合纳米材料的制备方法按以下步骤进行：
(1)将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，然后加入双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵，并充分搅拌；
(2)然后将L-半胱氨酸和硫代钨酸铵依次加入到步骤(1)得到的混合体系中，并不断搅拌使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，L-半胱氨酸和硫代钨酸铵用量的物质的量之比为5:1，硫代钨酸铵与氧化石墨烯的物质的量之比为1:1-1:4；
(3)将步骤(2)得到的混合分散体系转移到水热反应釜中，并加入去离子水调整体积至水热反应釜标称体积的80％，双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵的浓度为0.01～0.02mol/L，氧化石墨烯的含量为30-70mmol/L,将该反应釜放入恒温烘箱里，在220-250℃下水热反应20-24h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集水热固体产物，并用去离子水充分洗涤，在100℃下真空干燥，将得到的水热反应固体产物在氮气/氢气混合气氛中于800℃下热处理2h，混合气体中氢气的体积分数为10％，最后制备得到WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述的WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，其特征在于，所述WS2纳米瓦的层数为2～6层。
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