CN107720825B - 一种简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二硫化钼纳米片简易插层剥离方法。一种简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，采用颗粒尺寸大小为微米级的高纯二硫化钼为原料，1）以氯化镁和硫化钠为插层剂，将二硫化钼、氯化镁和硫化钠与去离子水按照50～100：1：0.5～1：600的质量比例混合，搅拌，得到一种分散体系；2）将步骤1）制备的分散体系置于高压反应釜中加热至180～200℃，进行插层处理，插层处理持续时间为3～6h；3）将步骤2）得到的分散体系冷却至室温，然后采用超声处理进行剥离，超声剥离持续时间30～60min；4）将步骤3）得到的分散体系离心分离，然后用去离子水洗涤，真空干燥后获得二硫化钼纳米片粉末。

Description

一种简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法
技术领域
本发明涉及一种简易插层剥离制备二硫化钼纳米片的方法。
背景技术
二硫化钼为黑色粉末，与石墨具有类似的二维结构，分为单层的六方晶系以及多层的“夹心饼干”结构，天然的二硫化钼一般情况下是一种半导体化合物，化学性质非常稳定，其层内具有较强的共价键作用，层与层之间是范德华力作用。因此，其层与层之间易于剥离，且相对于石墨来说，二硫化钼具有更低的摩擦系数，同时具有耐辐射性能及高承载能力，可以大大减少金属之间的直接接触，具有良好的润滑作用，广泛应用于汽车机械等行业的润滑材料。
二硫化钼能吸收可见光频率的光子，且其导带和价带的边缘电位高，非常有利于载流子的分离，相对于传统的TiO2 催化剂来说，具有更好的催化性能。同时，二硫化钼及其复合材料在锂离子电池方面有广泛的应用，与层状的石墨相比，二硫化钼负极材料拥有更高的理论容量以及储锂空间。另外，二硫化钼还有其他方面的重要应用，如用作涂层、密封材料、光探测器和场效应晶体管等。
为了尽快实现二硫化钼的功能化应用，需要低成本、易操作、规模化制备高质量的二硫化钼纳米片结构，这是制约其广泛应用的瓶颈，广大科技工作者为此付出了巨大努力。目前，二硫化钼的制备方法主要有如下几种：1. 微机械剥离法，这种方法因其操作相对简单且剥离程度很高，是目前较为成熟的剥离方法。其主要操作过程是通过带有特殊粘性的胶带粘在二硫化钼粉末上面进行剥离，随着工艺的改进，甚至可以得到单层纳米片，但是其只适合于实验室小范围研究，而且此种机械剥离法获得的纳米片层数和大小具有不确定性，重复性较差，无法大规模生产。2. 锂离子插层法，此法较为常用，主要过程是通过单一插层剂嵌入到二硫化钼的二维层状材料中，增大层间距，减少所受到的范德华力，从而达到层与层的分离剥离，再通过洗涤干燥获得多层或单层的二硫化钼纳米片。此法效率较高，产物质量较好，但操作复杂而且制备时间稍长，无法规模化制备。3. 液相超声法，该法相对来说属于新兴的剥离方法，一般是将二硫化钼放入合适的溶剂中破坏层状晶体相邻间的内聚能，再利用超声作用使晶体被剥离，然后静置取上层清液，在真空条件下干燥，得到纳米片。在这种方法中，溶剂选择至关重要，一般选择N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、异丙醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺等。相对于锂离子插层剥离法来说，其工艺简单，效率高，无需特殊的设备，但产品质量相对要差。4. 化学气相沉积法，是一种通过化学反应而得到产物的制备方法，主要是通过高温使反应物气化变为气态，在气态状态下互相发生化学反应，然后使产物沉积在选取的固态基体表面得到纳米片。例如，将氧化钼和硫粉分别放置在反应炉中，充入氮气，然后以 20℃/min 的速度升温到 550℃，硫粉变为蒸气，然后以5℃/min 的速度升高温度到 850℃，保温10~15min，冷却后便在 SiO2/Si 基体上沉积得到二硫化钼纳米片。化学气相沉积法是一种比较成熟的制备纳米片的方法，其优点主要在于制备得到的产品纯度高，而且结晶性能好，因此被广泛应用于制作单晶、多晶、研制新型晶体以及制备无机薄膜材料等领域。但这种方法相较于其他方法来说，对设备要求极其苛刻，且反应时需要温度高，成本较高，不易规模化生产。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出一种简单、方便，能够规模化生产的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法。制备过程无需特殊的设备，成本低廉。
本发明所采用的技术方案：
一种简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，包括如下步骤：采用颗粒尺寸大小为微米级的高纯二硫化钼为原料，1）以氯化镁和硫化钠为插层剂，将二硫化钼、氯化镁和硫化钠与去离子水按照50～100：1：0.5～1：600的质量比例混合，搅拌，得到一种分散体系；
2）将步骤1）制备的分散体系置于高压反应釜中加热至180～200℃，进行插层处理，插层处理持续时间为3～6h；
3）将步骤2）得到的分散体系冷却至室温，然后采用超声处理进行剥离，超声剥离持续时间30～60min；
4）将步骤3）得到的分散体系离心分离，然后用去离子水洗涤，真空干燥后获得二硫化钼纳米片粉末。
所述的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，步骤3）中，取插层处理后得到的分散体系50mL置于烧杯中，加100～150mL去离子水，再将烧杯置于KQ-500B型超声波清洗器中超声处理，即获得较为均匀的单层或者少数层的二硫化钼纳米片分散体系。
所述的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，步骤4）中，离心分离时，控制离心机转速为2800～3200 r/min，然后用去离子水洗涤3～6次，在50～60℃条件下真空干燥10～24h，获得二硫化钼纳米片的粉末。
所述的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，步骤1）中，二硫化钼的纯度为分析纯，其尺寸大小为100～300 μm。
本发明的有益效果：
1、本发明简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，制备过程简单，操作方便，无需特殊的设备，并且成本低廉，容易批量生产。最重要的是获得的二硫化钼纳米片的结构保持完整，与未插层剥离的二硫化钼的结构基本一致，得到的二硫化钼纳米片有可能成为应用于润滑剂、光催化剂和锂离子电池的理想纳米材料。
2、本发明简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，采用180～200℃时水热处理过程和室温下的超声处理过程，操作过程方便简单，容易控制。
3、本发明简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，直接以高纯的二硫化钼为原料进行插层剥离处理，成本低廉，易于规模生产。
4、本发明简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，在去离子水中同时以氯化镁和硫化钠为插层剂，二者有协同作用，且易于用去离子水洗涤去除。
附图说明
图1是放大1万倍的原料二硫化钼的扫描电子显微镜图像；
图2是放大1万倍的插层未超声剥离的二硫化钼的扫描电子显微镜图像；
图3是放大10万倍的插层超声剥离后的二硫化钼的扫描电子显微镜图像；
图4是放大20万倍的插层超声剥离后的二硫化钼的透射电子显微镜图像；
图5是放大30万倍的插层超声剥离后的二硫化钼的透射电子显微镜图像；
图6是原料二硫化钼的晶体衍射测试图；
图7是插层超声剥离后的二硫化钼的晶体衍射测试图；
图8是原料二硫化钼的拉曼光谱测试图；
图9是插层超声剥离后的二硫化钼的拉曼光谱测试图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例以插层剥离制备50～300nm的二硫化钼纳米片为例，说明本发明简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法的具体实现步骤：
第一步：以颗粒尺寸为微米级的二硫化钼（分析纯）为原料，其质量为50g，颗粒尺寸大小为100～300 μm，插层剂氯化镁和硫化钠各1g，在600mL（按600g计）去离子水中充分搅拌混合得到一种分散体系。
见图1所示为原料二硫化钼的扫描电子显微镜图像，显示剥离前的二硫化钼为微米级的片层状结构，厚度较大，形貌较为不规则。
第二步：将第一步制备的分散体系置于高压反应釜中加热至180～200℃，进行插层处理，持续时间为3～6h，同时通过180～200℃的水蒸气在高压反应釜中产生一定的高压，更有利于插层处理。
见图2所示为已插层未超声剥离的二硫化钼的扫描电子显微镜图像，显示原料二硫化钼经过插层后同样为微米级的片层状结构，但是厚度明显减小，形貌得到改善。
第三步：将第二步得到的分散体系自然冷却至室温后，超声处理，持续时间为30～60min，对插层处理的二硫化钼进行剥离，获得二硫化钼纳米片分散体系。
第四步：将第三步中得到的二硫化钼纳米片分散体系进行离心分离，并用去离子水洗涤5～6次，50～60℃真空干燥10～24h，获得二硫化钼纳米片的粉末。
见图3所示为插层超声剥离后的二硫化钼的扫描电子显微镜图像，显示二硫化钼为纳米片结构，其尺寸大小为50～300nm，形貌较为规则。见图4和图5所示为插层超声剥离后的二硫化钼的透射电子显微镜图像，更为清晰地显示二硫化钼纳米片的形貌和晶格结构。
第五步：将上述制备的二硫化钼纳米片进行形貌和结构的相关表征。
见图6和图7所示为二硫化钼的衍射图谱，显示二硫化钼衍射特征图谱保持不变，表明二硫化钼经过插层超声剥离后晶体结构没有被破坏，且没有插层剂的掺杂。见图8和图9所示为二硫化钼的拉曼光谱，显示二硫化钼拉曼特征图谱保持一致，同样表明插层超声剥离处理没有破坏二硫化钼的晶体结构。
实施例2
本实施例简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，采用颗粒尺寸大小为微米级的高纯二硫化钼为原料，制备二硫化钼纳米片，其步骤如下：
1）以氯化镁和硫化钠为插层剂，将二硫化钼、氯化镁和硫化钠与去离子水按照50～100：1：0.5～1：600的质量比例混合，搅拌，得到一种分散体系；质量单位为克或千克。
2）将步骤1）制备的分散体系置于高压反应釜中加热至180～200℃，进行插层处理，插层处理持续时间为3～6h；
3）将步骤2）得到的分散体系冷却至室温，然后采用超声处理进行剥离，超声剥离持续时间30～60min；
4）将步骤3）得到的分散体系离心分离，然后用去离子水洗涤，真空干燥后获得二硫化钼纳米片粉末。
实施例3
本实施例所述的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，与实施例2不同的是，步骤3）中，取步骤2）插层处理后得到的分散体系50mL置于烧杯中，加100～150mL去离子水，再将烧杯置于KQ-500B型超声波清洗器（功率50W，频率50KHz）中超声处理40～50min，即可获得较为均匀的单层或者少数层的二硫化钼纳米片分散体系。
实施例4
本实施例所述的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，与前述各实施例不同的是，步骤4）中，离心分离时，控制离心机转速为2800～3200 r/min，然后用去离子水洗涤3～5次，在50～60℃条件下真空干燥10～24h，获得二硫化钼纳米片的粉末。
步骤1）中，二硫化钼的纯度为分析纯，其尺寸大小为100～300 μm。
实施例5
本实施例的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，与前述各实施例不同的是：二硫化钼质量为100g，
实施例6
本实施例的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，与实施例1的不同之处在于：二硫化钼质量为70-80g，插层剂氯化镁1g，硫化钠各0.5-1g。

Claims (3)

1.一种简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，采用颗粒尺寸大小为微米级的高纯二硫化钼为原料，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1）以氯化镁和硫化钠为插层剂，将二硫化钼、氯化镁和硫化钠与去离子水按照50～100：1：0.5～1：600的质量比例混合，搅拌，得到一种分散体系；
2）将步骤1）制备的分散体系置于高压反应釜中加热至180～200℃，进行插层处理，插层处理持续时间为3～6h；
3）将步骤2）得到的分散体系冷却至室温，取插层处理后得到的分散体系50mL置于烧杯中，加100～150mL去离子水，再将烧杯置于KQ-500B型超声波清洗器中超声处理，超声剥离持续时间30～60min，获得较为均匀的单层或者少数层的二硫化钼纳米片分散体系；
4）将步骤3）得到的分散体系离心分离，然后用去离子水洗涤，真空干燥后获得二硫化钼纳米片粉末。
2.根据权利要求1所述的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，其特征在于：步骤4）中，离心分离时，控制离心机转速为2800～3200 r/min，然后用去离子水洗涤3～6次，在50～60℃条件下真空干燥10～24h，获得二硫化钼纳米片的粉末。
3.根据权利要求1或2所述的简易插层剥离获得二硫化钼纳米片的方法，其特征在于：步骤1）中，二硫化钼的纯度为分析纯，其尺寸大小为100～300μm。
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