CN104591181A - 一种利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法，包括以下步骤：(1)将需要剥离的原料和纳米片层水溶液按1mol:600ml-1mol：40000ml的比例混合均匀，纳米片层水溶液浓度为0.001-0.01g/ml；(2)将上述体系超声处理1小时-48小时；(3)静置1小时-48小时，取上层混合液；(4)抽滤洗净，50-90℃真空干燥，得到二维复合纳米片层材料。该方法简单直接，具有剥离效果突出、原料廉价易得、对环境无毒、所需温度低的特点，不需要复杂昂贵的仪器设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法，属于二维纳米材料制备技术领域。
背景技术
二维纳米复合材料，如石墨烯/MoS2(二硫化钼)纳米片，石墨烯/h-BN(六角氮化硼)纳米片，石墨烯/WS2(二硫化钨)纳米片等，具有优良的物理和化学性能，在储能、激光调制、荧光、催化、机械等方面具有广阔的应用前景，因此，在近几年内成为材料界的研究热点。在这些二维复合材料中，石墨烯/MoS2纳米复合结构，无论在结构上还是在性能上的研究最为详实，它是在石墨烯的基础上水热生长的微米级MoS2球。尽管如此但是这种复合结构通常突出了微米级MoS2球的性能，而忽视了石墨烯的特性。因此，急需把三维的MoS2球降低维度成二维的纳米片，从而生成二维的石墨烯/MoS2纳米复合材料，来突出优化复合材料的性能。但是，像MoS2纳米片，h-BN纳米片和WS2纳米片的剥离制备一直是材料界的难点和热点。
从目前的研究成果可以看出，二维纳米复合材料具有很多单一材料难以比拟的优点，例如David等人报道的用石墨烯/MoS2纳米片做成的复合纸应用在钠离子电池的电极中展现出优良的电学性能；Loan等人设计的石墨烯/MoS2的异质结构能更好的检测DNA杂交；Ci等人设计的单层石墨烯/h-BN层状薄膜具有优良的电学储能性能。(见参考文献David,L.et al.MoS2/Graphene Composite Paper for Sodium-Ion Battery Electrodes.ACS Nano 8,1759-1770，2014；Loan,P.T.K.et al.Graphene/MoS2Heterostructures forUltrasensitive Detection of DNA Hybridisation.Adv.Mater.2014,26,4838–4844；Ci,L.et al.Atomic layers of hybridized boron nitride and graphene domains.NatureMater.9,430-435,2010；Coleman,J.,N.et al.Two-dimensional nanosheets producedby liquid exfoliation of layered materials.Science 331,568–571,2011)。到目前为止，制备这种二维纳米复合材料的方法仅有两种，一种是把剥离的两种不同的二维纳米片简单的混合后抽滤成膜(David,L.et al.ACS Nano 8,1759-1770)，另一种是通过CVD法生长在一起的薄膜(Wang，X.B.et al.“Chemical Blowing”of Thin-WalledBubbles:High-Throughput Fabrication of Large-Area,Few-Layered BN and Cx-BNNanosheets,Adv.Mater.2011,23,4072–4076)。但是这两种方法都存在着致命的缺点：方法一，MoS2纳米片，h-BN纳米片和WS2纳米片等剥离制备方法很少，现有的方法很难满足日益增长的研究需求；方法二，CVD法生长所用的设备昂贵，需高温高压，耗能严重，且产量非常低，也很难满足研究需求。
因此，急需寻找一种新的剥离制备方法来得到充足的MoS2纳米片，h-BN纳米片和WS2纳米片来与石墨烯复合。
发明内容
针对现有二维复合材料制备技术存在的问题，本发明提出一种简单直接、剥离效果突出、原料廉价易得、对环境无毒、所需温度低的利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法。
本发明利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将需要剥离(复合)的原料和纳米片层水溶液按1mol:600ml-1mol：40000ml的比例混合均匀，纳米片层水溶液浓度为0.001-0.01g/ml；
需要剥离的原料可以是石墨、氮化硼、二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)、锑化铋等层状材料。
纳米片层水溶液可以是石墨烯、六角氮化硼(h-BN)、二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)等纳米片水溶液。
(2)将上述体系超声处理1小时-48小时；
(3)静置1小时-48小时，取上层混合液，还原纳米片层；
(4)把还原产物抽滤洗净，50-90℃真空干燥，得到二维复合纳米片层材料。
所述步骤(1)中需要剥离(复合)的原料与纳米片层水溶液混合均匀后静置1小时-48小时，以保障纳米片层充分插入到二维原料层间。
本发明简单直接，具有剥离效果突出、原料廉价易得、对环境无毒、所需温度低的特点，不需要复杂昂贵的仪器设备。
附图说明
图1是纳米片层插层剥离层状材料的机理图。
图2是产物石墨烯/MoS2纳米二维复合材料的原子力显微镜照片和扫描电镜照片。
图3是产物石墨烯/MoS2纳米二维复合材料的扫描电镜和投射电镜照片。
图4是氧化石墨烯剥离制备二维石墨烯/h-BN的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
本实施例制备二维石墨烯/MoS2纳米复合材料，具体步骤如下：
(1)将需要剥离的0.16g(0.001mol)MoS2和40ml氧化石墨烯(Hummer法制备)水溶液混合均匀，氧化石墨烯的水溶液浓度是0.01g/ml；
(2)将上述体系置于超声仪器中，超声处理1小时，超声功率为1500W。
(3)将产物静置10小时，取上层混合液，加3ml水合肼还原氧化石墨烯。图1给出了氧化石墨烯插层剥离二维片层MoS2的机理。
(4)把上述还原产物，抽滤洗净，50℃真空干燥真空干燥，即可得到产物石墨烯/MoS2纳米复合二维材料。
图2给出了得到的石墨烯/MoS2纳米二维复合材料的原子力显微镜照片和扫描电镜照片。图3给出了石墨烯/MoS2纳米二维复合材料的扫描电镜和投射电镜照片。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(1)中需要剥离的MoS2与氧化石墨烯水溶液混合后静置1-5小时，以保障更多的单层氧化石墨烯嵌入需剥离的MoS2中。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(2)中的超声功率增大到2000W以上。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中是通过水合肼以外的还原剂(氨水，硼氢化钠等)还原氧化石墨烯。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中是通过光照还原氧化石墨烯。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中是通过加热还原氧化石墨烯。
实施例7
本实施例将实施例1中的氧化石墨烯换成h-BN纳米片，制备h-BN/MoS2纳米复合材料，具体步骤如下：
(1)将需要剥离(复合)的1.6g(0.01mol)MoS2和62mlh-BN纳米片水溶液混合均匀；MoS2和h-BN纳米片的摩尔比为2:1，h-BN纳米片的水溶液浓度是0.002g/ml。
(2)将上述体系置于超声仪器中，超声处理10小时，超声功率为1500W。
(3)将产物静置1小时，取上层混合液，加3ml水合肼还原h-BN。
(4)把上述还原产物抽滤洗净，60℃真空干燥真空干燥，即可得到产物h-BN/MoS2纳米复合二维材料。
实施例8
本实施例将实施例1中的氧化石墨烯换成MoS2纳米片，制备MoS2/MoS2纳米复合材料，具体步骤如下：
(1)将需要剥离(复合)的0.8g(0.005mol)MoS2和16ml MoS2纳米片水溶液混合均匀；MoS2纳米片的水溶液浓度是0.001g/ml。
(2)将上述体系置于超声仪器中，超声处理20小时，超声功率为1500W。
(3)将产物静置20小时，取上层混合液，加3ml水合肼还原MoS2纳米片。
(4)把上述还原产物抽滤洗净，70℃真空干燥真空干燥，即可得到产物MoS2/MoS2纳米复合二维材料。
实施例9
本实施例将实施例1中的氧化石墨烯换成WS2纳米片，制备WS2/MoS2纳米复合材料，具体步骤如下：
(1)将需要剥离(复合)的1.6g(0.01mol)和6ml WS2纳米片水溶液混合均匀；MoS2和WS2纳米片的摩尔比80:1，WS2纳米片的水溶液浓度是0.005g/ml。
(2)将上述体系置于超声仪器中，超声处理30个小时，超声功率为1500W。
(3)将产物静30小时，取上层混合液，加3ml水合肼还原WS2纳米片。
(4)把上述还原产物抽滤洗净，80℃真空干燥真空干燥，即可得到产物WS2/MoS2纳米复合二维材料。
实施例10
本实施例制备二维石墨烯/h-BN纳米复合材料，具体步骤如下：
(1)将需要剥离(复合)的0.24g(0.01mol)h-BN和40ml氧化石墨烯水溶液混合均匀，氧化石墨烯的水溶液浓度是0.01g/ml。
(2)将上述体系置于超声仪器中，超声处理48个小时，超声功率为1500W。
(3)将产物静置48小时，取上层混合液，加3ml水合肼还原氧化石墨烯。
(4)把上述产物抽滤洗净，90℃真空干燥真空干燥，即可得到产物石墨烯/h-BN纳米复合二维材料。图4是氧化石墨烯剥离制备二维石墨烯/h-BN的扫描电镜图。
Claims (4)
1.一种利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将需要剥离的原料和纳米片层水溶液按1mol:600ml-1mol：40000ml的比例混合均匀，纳米片层水溶液浓度为0.001-0.01g/ml；
(2)将上述体系超声处理1小时-48小时；
(3)静置1小时-48小时，取上层混合液，还原纳米片层；
(4)把还原产物抽滤洗净，50-90℃真空干燥，得到二维复合纳米片层材料。
2.根据权利要求1所述利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法，其特征是，所述需要剥离的原料是石墨、氮化硼、二硫化钨、二硫化钼或锑化铋。
3.根据权利要求1所述利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法，其特征是，所述纳米片层水溶液是石墨烯、六角氮化硼、二硫化钨或二硫化钼水溶液。
4.根据权利要求1所述利用纳米片层剥离制备二维复合材料的方法，其特征是，所述步骤(1)中需要剥离的原料与纳米片层水溶液混合均匀后静置1小时-48小时。
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