CN104609464B - 一种PbS纳米片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种PbS纳米片的制备方法，以分析纯的硝酸铅和L‑胱氨酸为反应原料，以去离子水为溶剂，以分析纯的氢氧化钾和十六烷基苯磺酸钠为反应助剂，当硝酸铅和L‑胱氨酸在溶液中混合，L‑胱氨酸与Pb2+反应形成Cys‑Pb2+‑Cys配合物，然后，在高温高压水热反应条件下，Cys‑Pb2+‑Cys络合物分解形成Pb2+‑Cys配合物，随着反应时间的延长，在水热条件下C‑S键断裂形成团聚状的PbS纳米离子，在分解过程中，在溶液中胱氨酸的阻碍和SDBS软模板的限制下，使得PbS晶体沿二维方向生长的趋势增大，从而形成大面积二维PbS纳米片。
Description
技术领域
本发明属于纳米晶体材料制造技术领域，特别涉及一种水相法制备大面积PbS纳米片材料的方法。
背景技术
二维材料由于具有很多优异的电性能和高的比表面积使其在传感、催化、能量储存等方面具有广泛的应用前景，因此已经有很多方法被开发出来用于制备多种二维材料，如石墨烯，过渡金属二硫化物，过渡金属氧化物及其他二维化合物。硫化铅PbS是一种IV-VI族窄禁带半导体材料，具有较小的禁带宽度(室温下0.41eV)和较大的激子玻尔半径(18nm)。纳米尺度的PbS能带从近红外蓝移到可见光区域，呈现出奇异的光学性质和电学性质，因而在非线性光学装置、红外探测器和太阳能接收器的应用方面得到广泛研究。因此，各种合成方法已被成功地用来制备各种形貌的硫化铅纳米晶体材料。其中，液相合成方法是一种便利的、易于大规模合成纳米微晶的有效方法。然而，在液相合成方法中，一般选用Na2S·9H2O，Na2S2O3·5H2O，Na2S2O4，S粉、CS2，硫脲和硫代乙酰胺等作为硫源，这些试剂在液相合成过程中易潮解，并且在反应过程中容易释放出H2S而对空气产生污染。因此，寻找一种简单的、廉价的和环保型的硫源来大规模地合成出二维PbS纳米结构是非常重要的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种采用水相法制备硫化铅PbS纳米片的方法。本发明环保、低成本、大面积、工艺简单。
本发明以分析纯的硝酸铅(Pb(NO3)2)和L-胱氨酸(C6H12N2O4S2)为反应原料，以去离子水为溶剂，以分析纯的氢氧化钾(KOH)和十六烷基苯磺酸钠(SDBS)为反应助剂，当硝酸铅和L-胱氨酸在溶液中混合，L-胱氨酸与Pb2+反应形成Cys-Pb2+-Cys络合物。在高温高压水热反应条件下，Cys-Pb2+-Cys络合物分解形成Pb2+-Cys络合物。随着反应时间的延长，在水热条件下C-S键断裂形成团聚状的PbS纳米离子，在分解过程中，在溶液中胱氨酸的阻碍和SDBS软模板的限制下，使得PbS晶体沿二维方向生长的趋势增大，从而形成大面积二维PbS纳米片。在反应体系中，OH-促进Pb2+的释放，L-胱氨酸作为硫源和螯合剂，SDBS提供反应的软模板，通过调节L-胱氨酸、OH-和SDBS的浓度来控制PbS纳米片的生长。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明采用水相法制备PbS纳米片，步骤如下：
1、将一定摩尔比的硝酸铅(Pb(NO3)2)和胱氨酸(C6H12N2O4S2)加入去离子水中并搅拌；
2、在步骤1制得的硝酸铅Pb(NO3)2和胱氨酸C6H12N2O4S2溶液中加入一定量的氢氧化钾KOH并搅拌，促进Pb2+的释放；
3、在步骤2制得的溶液中加入一定量的十六烷基苯磺酸钠SDBS并搅拌，得到混合溶液；
4、将步骤3制得的混合溶液倒入聚四氟乙烯的水热罐中密封，放入烘箱中在100-160℃的温度范围下反应8-16h，之后冷却到室温，得到黑色产物；
5、将步骤4制得的黑色产物用去离子水和酒精分别洗涤，并在60℃干燥箱中干燥5h，得到PbS纳米片，这种PbS纳米片的边缘尺寸大于5μm，厚度小于120nm。
所述步骤1中，所述硝酸铅Pb(NO3)2和胱氨酸C6H12N2O4S2的摩尔比为0.5～1.5。
所述步骤1中，所述硝酸铅Pb(NO3)2的优选摩尔浓度为5mmol/L～12.5mmol/L。
所述步骤2中，所述氢氧化钾KOH的优选摩尔浓度为5～10mol/L。
所述步骤3中，所述十六烷基苯磺酸钠SDBS的优选用量为6.7～25mmol/L。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明所采用的L-胱氨酸同时作为硫源和螯合剂，与十六烷基苯磺酸钠SDBS协同作用，促进大面积PbS纳米片的生长。
(2)本发明所采用的原料均是国产工业原料，价廉易得，毒性低。采用生物分子胱氨酸作为硫源，其不仅是一种廉价的、普遍的氨基酸，也是一种环保型硫源，在医药、食品、化妆品等行业有着广泛的应用，在反应过程中不直接产生H2S气体，从而避免了环境污染。
(3)本发明的制备条件温和，工艺简单，成本低，可实现工业化批量生产。
(4)本发明制备出来的PbS纳米片晶型好，面积大，其边缘尺寸大于5μm。
附图说明
图1为本发明制备的PbS纳米片的XRD图谱；
图2为本发明制备的PbS纳米片的表面SEM图；
图3为本发明制备的PbS纳米片的断面SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
首先在烧杯中加入35ml的去离子水，然后加入0.5mmol的硝酸铅和0.5mmol的胱氨酸并在常温25℃下磁力搅拌30min，使硝酸铅和胱氨酸混合均匀，再加入11.22克氢氧化钾并磁力搅拌20min，最后加入0.5mmol的SDBS，并在烧杯中继续加入去离子水至溶液体积为40ml。将40ml混合溶液倒入体积为50ml的聚四氟乙烯水热罐内胆中，并用不锈钢外胆密闭，放入120℃的烘箱中反应12小时。产物用去离子水和无水乙醇分别在13500转/min的转速下离心清洗三次，然后放入60℃干燥箱中干燥5h，得到产物，产物的XRD图谱如图1所示。由图1可知，产物为黑色PbS纳米片，产物的电子显微镜照片如图2和图3所示，其中，由图2可知，PbS纳米片边缘尺寸为5～9μm，由图3可知，PbS纳米片厚度为119.4nm。
实施例2
首先在烧杯中加入35ml的去离子水，然后分别加入0.5mmol的硝酸铅和0.5mmol的胱氨酸并在25℃常温下磁力搅拌30min，使硝酸铅和胱氨酸混合均匀，再加入22.44克氢氧化钾并磁力搅拌20min，最后加入0.5mmol的SDBS，并在烧杯中继续加入去离子水至溶液体积为40ml。将40ml混合溶液倒入体积为50ml的聚四氟乙烯水热罐内胆中，并用不锈钢外胆密闭，放入120℃的烘箱中反应12小时。产物用去离子水和无水乙醇分别在13500转/min的转速下离心清洗三次，然后放入60℃干燥箱中干燥5h。得到产物。产物的XRD图谱如图1所示。由图1可知，产物为黑色PbS纳米片，产物的电子显微镜照片如图2所示，由图2可知，PbS纳米片边缘尺寸大于5μm，厚度小于120nm。
实施例3
首先在烧杯中加入35ml的去离子水，然后分别加入0.5mmol的硝酸铅和0.5mmol的胱氨酸并在25℃常温下磁力搅拌30min，使硝酸铅和胱氨酸混合均匀，再加入11.22克氢氧化钾并磁力搅拌20min，最后加入0.5mmol的SDBS，并在烧杯中继续加入去离子水至溶液体积为40ml。将40ml混合溶液倒入体积为50ml的聚四氟乙烯水热罐内胆中，并用不锈钢外胆密闭，放入160℃的烘箱中反应8小时。产物用去离子水和无水乙醇分别在13500转/分的转速下离心清洗三次，然后放入60℃干燥箱中干燥5h，得到黑色PbS纳米片。扫描电子显微镜照片显示PbS纳米片边缘尺寸大于5μm，厚度小于120nm。
实施例4
首先在烧杯中加入35ml的去离子水，然后分别加入0.5mmol的硝酸铅和0.5mmol的胱氨酸并在25℃常温下磁力搅拌30min，使硝酸铅和胱氨酸混合均匀，再加入11.22克氢氧化钾并磁力搅拌20min，最后加入0.5mmol的SDBS，并在烧杯中继续加入去离子水至溶液体积为40ml。将40ml混合溶液倒入体积为50ml的聚四氟乙烯水热罐内胆中，并用不锈钢外胆密闭，放入100℃的烘箱中反应16小时。产物用去离子水和无水乙醇分别在13500转/min的转速下离心清洗三次，然后放入60℃干燥箱中干燥5h，得到黑色PbS纳米片。扫描电子显微镜照片显示PbS纳米片边缘尺寸大于5μm，厚度小于120nm。
实施例5
首先在烧杯中加入35ml的去离子水，然后分别加入0.5mmol的硝酸铅和0.5mmol的胱氨酸并在25℃常温下磁力搅拌30min，使硝酸铅和胱氨酸混合均匀，再加入11.22克氢氧化钾并磁力搅拌20min，最后加入0.8mmol的SDBS，并在烧杯中继续加入去离子水至溶液体积为40ml。将40ml混合溶液倒入体积为50ml的聚四氟乙烯水热罐内胆中，并用不锈钢外胆密闭，放入120℃的烘箱中反应12小时。产物用去离子水和无水乙醇分别在13500转/min的转速下离心清洗三次，然后放入60℃干燥箱中干燥5h，得到黑色PbS纳米片，扫描电子显微镜照片显示PbS纳米片边缘尺寸大于5μm，厚度小于120nm。
实施例6
首先在烧杯中加入35ml的去离子水，然后分别加入0.5mmol的硝酸铅和0.5mmol的胱氨酸并在25℃常温下磁力搅拌30min，使硝酸铅和胱氨酸混合均匀，再加入12.6克氢氧化钾并磁力搅拌20min，最后加入0.5mmol的SDBS，并在烧杯中继续加入去离子水至溶液体积为45ml。将45ml混合溶液倒入体积为50ml的聚四氟乙烯水热罐内胆中，并用不锈钢外胆密闭，放入120℃的烘箱中反应12小时。产物用去离子水和无水乙醇分别在13500转/min的转速下离心清洗三次，然后放入60℃干燥箱中干燥5h，得到黑色PbS纳米片，扫描电子显微镜照片显示PbS纳米片边缘尺寸大于5μm，厚度小于120nm。
Claims (2)
1.一种PbS纳米片的制备方法，其特征在于，所述的PbS纳米片的制备方法的步骤为：
1)将硝酸铅和胱氨酸加入去离子水中并搅拌；
2)在步骤1)制得的硝酸铅和胱氨酸溶液中加入氢氧化钾并搅拌；
3)在步骤2)制得的溶液中加入十六烷基苯磺酸钠并搅拌得到混合溶液；
4)将步骤3制得的混合溶液倒入聚四氟乙烯的水热罐内胆中，并用不锈钢外胆密封，放入烘箱中在100-160℃反应8-16h后冷却到室温，得到黑色产物；
5)将步骤4)制得的黑色产物分别用去离子水和酒精洗涤，然后置于60℃干燥箱中干燥5h，得到PbS纳米片；
所述步骤1)中，所述的硝酸铅和胱氨酸的摩尔比为0.5～1.5；
所述步骤1)中，所述的硝酸铅的浓度为5mmol/L～12.5mmol/L；
所述步骤2)中，所述的氢氧化钾的摩尔浓度为5～10mol/L；
所述步骤3)中，所述的十六烷基苯磺酸钠的浓度为6.7～25mmol/L；
所述的步骤4)中，所述的烘箱温度为100-160℃，反应时间为8-16小时；
所述的氢氧化钾和十六烷基苯磺酸钠为反应助剂；当硝酸铅和L-胱氨酸在溶液中混合，L-胱氨酸与Pb2+反应形成Cys-Pb2+-Cys络合物，在高温高压水热反应条件下，Cys-Pb2+-Cys络合物分解形成Pb2+-Cys络合物；随着反应时间的延长，在水热条件下C-S键断裂形成团聚状的PbS纳米离子；分解过程中，在溶液中胱氨酸的阻碍和十六烷基苯磺酸钠的限制下，使得PbS晶体沿二维方向生长的趋势增大，从而形成大面积二维PbS纳米片。
2.根据权利要求1所述的PbS纳米片的制备方法，其特征在于，所述的PbS纳米片制备方法制得的PbS纳米片的边缘尺寸大于5μm，厚度小于150nm。
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