CN108408782B - 一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米材料制备领域，尤其涉及一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法。本发明提供了一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，所述制备方法为：涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底相对排列后水平放置，惰性气体氛围中，程序性升温至650℃～800℃，恒温加热，硫单质与气态MoO3反应，在所述空白的衬底上淀积，得二硫化钼纳米片。本发明提供的技术方案中，惰性气氛下程序性升温，可使得硫单质与钼源充分接触反应，有足够的反应时间生成MoS2；同时，涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底可多层叠放，实现量产。本发明提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，解决了现有技术中，竖立MoS2纳米片的制备工艺存在着：工艺复杂、难以实现量产以及制备成本高昂的技术缺陷。

Description

一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，尤其涉及一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法。
背景技术
近年来，人们开始注意到过渡金属硫族化合物(TMDC)二维材料，如MoS2、WS2等，这些材料由二维分子层通过微弱的层间相互作用堆叠而成，随着维数的降低，层状材料的电子学结构与块材相比有明显不同。其中，二维MoS2是有着宽直接带隙的半导体，使得二维MoS2在电子器件方面的应用有着优势。不仅如此，二维MoS2也表现出丰富的光电特性、光学特性，如强烈的光致发光现象，且光学性质可电调制；二维MoS2不仅透明，且有着良好的机械性能，柔性可弯曲，有望制成柔性光电器件，太阳能电池，光电探测器等诸多器件。另一方面，竖立纳米片形貌的MoS2相比于平面二维MoS2，不仅有着更大的比表面积，同时也会暴露出大量的边缘位置出来，这些高密度边缘原子的d-轨道电子有助于和其他元素的键合，在析氢反应、加氢脱硫、氧还原反应、析氧反应、甲烷转换等催化剂领域有着应用前景。
现有技术中，竖立MoS2纳米片制备方法是在高温管式炉恒温区中心放置装载有MoO3粉末的坩埚，衬底倒扣在坩埚上或正面朝上放置在炉管下游端，另一坩埚装有硫粉放置在炉管上游端。利用这种方法获得竖立纳米片形貌的MoS2对硫源和钼源的浓度十分敏感，必须准确调节工艺参数，使用坩埚装载MoO3粉末需要更多的量以保证有足够的钼源挥发出来，且每次只能制备一片样品，不利于批量生产，虽然在炉管下游端有更多空间放置衬底，但下游端温度和反应源的浓度梯度变化使得均匀性变差。
因此，研发出一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，用于解决现有技术中，竖立MoS2纳米片的制备工艺存在着：工艺复杂、难以实现量产、产物均匀性差以及制备成本高昂的技术缺陷，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，用于解决现有技术中，竖立MoS2纳米片的制备工艺存在着：工艺复杂、难以实现量产、产物均匀性差以及制备成本高昂的技术缺陷。
本发明提供了一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，所述制备方法为：涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底相对排列后水平放置，惰性气体氛围中，程序性升温至650℃～800℃，恒温加热，硫单质与气态MoO3反应，在所述空白的衬底上淀积，得二硫化钼纳米片。
优选地，所述程序性升温的升温速率为5℃/min。
优选地，所述恒温加热的时间为10～30min。
优选地，所述涂有MoO3粉末的衬底与所述空白的衬底间距为1～5mm。
优选地，所述衬底为耐高温衬底，所述耐高温衬底的耐受温度为小于800℃。
优选地，所述衬底的材质选自：硅、石英、云母、碳化硅、金属单质、金属合金中的任意一种或多种。
优选地，所述涂有MoO3粉末的衬底中，MoO3的粘附量为小于0.1mg/4cm2衬底面积。
优选地，所述涂有MoO3粉末的衬底的制备方法为：衬底在MoO3粉末上摩擦，得涂有MoO3粉末的衬底。
优选地，所述惰性气体选自：氮气、氩气以及二氧化碳中的任意一种或多种。
优选地，硫单质与涂有MoO3粉末的衬底的水平距离为22cm。
综上所述，本发明提供了一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，所述制备方法为：涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底相对排列后水平放置，惰性气体氛围中，程序性升温至650℃～800℃，恒温加热，硫单质与气态MoO3反应，在所述空白的衬底上淀积，得二硫化钼纳米片。本发明提供的技术方案中，惰性气氛下程序性升温，可使得硫单质与钼源充分接触反应，有足够的反应时间生成MoS2；同时，均匀涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底可多层叠放，不仅生成的产物均匀性好，还可以实现量产。本发明提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，解决了现有技术中，竖立MoS2纳米片的制备工艺存在着：工艺复杂、难以实现量产、产物均匀性差以及制备成本高昂的技术缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法中，制备装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法中，所制得的竖立二硫化钼纳米片样品的拉曼光谱。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，用于解决现有技术中，竖立MoS2纳米片的制备工艺存在着：工艺复杂、难以实现量产、产物均匀性差以及制备成本高昂的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更详细说明本发明，下面结合实施例对本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，进行具体地描述。
本发明实施例提供了一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，为：涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底相对排列后水平放置，惰性气体氛围中，程序性升温至650℃～800℃，恒温加热，硫单质与气态MoO3反应，在所述空白的衬底上淀积，得二硫化钼纳米片。本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，解决了现有技术中，竖立MoS2纳米片的制备工艺存在着：工艺复杂、难以实现量产、产物均匀性差以及制备成本高昂的技术缺陷。
在惰性气氛下升温后，硫单质蒸发成气态，与升华的气态MoO3反应，在Mo源浓度较大或反应温度较低(小于650℃)情况下生成中间过渡产物MoO2，形成了竖立纳米片形貌，随着反应的进行，MoO3粉末升华、反应完毕。在硫气氛下继续将MoO2硫化成MoS2，最终在衬底上生长了少数层结构的竖立MoS2纳米片。
上述制备过程中，无需使用精密复杂的气路流量控制系统以及真空系统，对于设备的要求低，通过降低生产设备的成本从而有效降低了生产成本；同时，所使用的硫源为硫单质，与现有技术中，以二氧化硫作为气态硫源相比，在实现工艺可控性，确保产品品质的基础上，还做到了生产成本降低的优点。
在实际生产的过程中，使用支架类的装置，将相对排列的涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底水平堆叠，即可实现竖立MoS2纳米片的量产。
进一步地优化技术方案，为使得在达到最高反应温度前的低温状态下有足够的时间，用以生成致密、大尺寸的中间过渡产物—竖立MoO2纳米片，本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法中，程序性升温的升温速率为5℃/min。与现有技术中，升温速度为10～30℃/min不同的是，本发明实施例提供的通过调整升温速度，使得所制得的产品结构更加致密。
为确保反应完全，生成致密的MoS2纳米片，本发明实施例提供的技术方案中，恒温加热的时间为10～30min。
为尽可能地提高衬底附近的气态Mo源浓度，促进中间过渡产物MoO2的形成，以形成竖立纳米片形貌；同时，较小的相对距离可以增加垂直堆叠的衬底数量，同步进行多片衬底的生长，提高产量；本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法中，涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底间距为1～5mm。
为确保反应过程中，衬底可以保持稳定，不发生形变及反应，本发明实施例提供的技术方案中，衬底为耐高温衬底，所述耐高温衬底的耐受温度为小于800℃。
进一步地优化技术方案，在确保衬底形态稳定、便于后续加工的基础上，同时，兼顾以衬底价格低廉的设计需求，本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法中，衬底的材质选自：硅、石英、云母、碳化硅、金属单质、金属合金中的任意一种或多种。
为了进一步地降低生产成本，减少MoO3粉末的用量，从而进一步地降低生产成本，涂有MoO3粉末的衬底中，本发明实施例提供的技术方案中，MoO3的粘附量为小于0.1mg/4cm2衬底面积。
本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法中，涂有MoO3粉末的衬底的制备方法为：衬底在MoO3粉末上摩擦，得涂有MoO3粉末的衬底；可使得MoO3粉末均匀的附着在衬底上。
在确保载气不与反应物发生反应，兼顾以反应的安全以及生产成本，本发明实施例提供的技术方案中，惰性气体选自：氮气、氩气以及二氧化碳中的任意一种或多种。
为确保在发生反应前，硫单质与MoO3粉末均可以充分的经加热升华成气态，本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法中，硫单质与涂有MoO3粉末的衬底的水平距离为22cm。
根据上述技术方案，制备竖立二硫化钼纳米片，通过扫描电镜进行观察，从扫描电镜照片可以看出，可获得厚度极薄的竖立纳米片，这些纳米片的平均尺寸为5μm左右。
所得样品的拉曼光谱结果请参阅图2，从图2中，可以观察到两个MoS2的特征峰，通过这两个特征峰的间距可以判断MoS2的层数，由此可以发现有少数层结构(1-3层)的MoS2物质生成，同时也获得了层数较多的体材料MoS2。
观察所得样品的透射电子显微镜表征结果，从透射电子显微镜表征可以看到，规则排列的晶格结构表明了良好的结晶性，测量出晶格条纹间距为0.277nm，对应MoS2的(100)晶面间距，其中，选区电子衍射花样证明了六方相结构的单晶MoS2的存在。
从上述技术方案可以得出，本发明实施例提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，具有以下优点；
1、获得的竖立MoS2纳米片致密、均匀、尺寸大(平均5m)，可以大面积生长，且这些纳米片具有少数层结构，有二维MoS2的特性；
2、采用多层衬底窄间距垂直堆叠的放置方式，可以同时进行多片衬底的生产，且工艺均匀性和可重复性高，易于批量生产；
3、MoO3的用量远低于已有技术方案，减少了原料使用量，降低成本；
4、对设备要求低，只需要单温区高温反应炉，不需要真空系统和精确的气路流量控制系统。
综上所述，本发明提供了一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，所述制备方法为：涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底相对排列后水平放置，惰性气体氛围中，程序性升温至650℃～800℃，恒温加热，硫单质与气态MoO3反应，在所述空白的衬底上淀积，得二硫化钼纳米片。本发明提供的技术方案中，惰性气氛下程序性升温，可使得硫单质与钼源充分接触反应，有足够的反应时间生成MoS2；同时，涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底可多层叠放，实现量产。本发明提供的一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，解决了现有技术中，竖立MoS2纳米片的制备工艺存在着：工艺复杂、难以实现量产、产物均匀性差以及制备成本高昂的技术缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种竖立二硫化钼纳米片的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：涂有MoO3粉末的衬底与空白的衬底相对排列后水平放置，在氮气和氩气中的任意一种或两种中，程序性升温至650℃～800℃，恒温加热，硫单质与气态MoO3反应，在所述空白的衬底上淀积，得二硫化钼纳米片；所述程序性升温的升温速率为5℃/min；所述恒温加热的时间为10～30min；所述涂有MoO3粉末的衬底与所述空白的衬底间距为1～5mm；所述涂有MoO3粉末的衬底中，MoO3的粘附量为小于0.1mg/4cm2衬底面积；所述涂有MoO3粉末的衬底的制备方法为：衬底在MoO3粉末上摩擦，得涂有MoO3粉末的衬底；硫单质与涂有MoO3粉末的衬底的水平距离为22cm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为耐高温衬底，所述耐高温衬底的耐受温度为小于800℃。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述衬底的材质选自：硅、石英、云母、碳化硅、金属单质、金属合金中的任意一种或多种。
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