CN109650450A - 一种中空MoS2微球的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种表面多孔结构的大尺寸中空MoS2微球及其制备方法和应用。本发明先采用水热法制备大尺寸的Cu‑Fe2O3微球,然后以该微球为模板通过水热法在其表面垂直生长MoS2层状纳米片,最后将得到的复合材料通过腐蚀液刻蚀的方法去除内部的模板,得到具有大尺寸的中空MoS2微球。实施例的结果表明,本发明能够制备得到表具有较大尺寸的中空微球,粒度分布1~30μm;中空微球表面是超薄纳米片组装的多孔结构,具有丰富的孔道结构,孔的尺寸为2~500nm的介孔及大孔,壳层厚度可以在5~500nm之间进行调节。本发明制备的MoS2材料尺寸较大,纳米片状二硫化钼垂直生排列形成了三维多孔的结构,在催化、光/电催化、吸附、气敏传感、润滑等领域都有较优异的性能。

Description

一种中空MoS2微球的制备方法及其应用
技术领域
本技术属于二维层状材料制备领域,技术涉及水热法,特别是一种大尺寸中空MoS2微球及其制备方法和应用。
背景技术
自石墨烯的发现以来,二维层状材料因具有优异的光学、电学、磁学及力学性能,近年来得到了广泛的关注。其中过渡金属硫化物具有类石墨烯的结构特点,金属W/Mo原子层被两个S/Se原子层夹在中间,形成典型的三明治结构,其层内通过很强的化学键结合,层与层之间则以较弱的范德华力结合,是一种典型的无机层状化合物。过渡金属硫化物(TMDs)以其奇特的性能成为人们关注的热点,在众多领域如场效应晶体管、催化、气敏、锂离子电池等方面得到了广泛的应用。尤其是纳米尺寸的TMDs,晶体边缘的不饱和键具有较高的化学活性使其在很多领域具有潜在的应用价值。
得益于光催化技术的如火如荼,二维硫化钼材料近年来得到了长足的发展。越来越多的硫化钼材料被开发出来并用于光催化助催化剂应用。目前,多数已经报道的MoS2材料为超薄纳米片结构,而具有其他结构形貌的MoS2材料的报道较少。同时,由于超薄纳米片在实际使用过程中分离、收集比较困难,限制了其广泛的应用。
具有中空结构的材料具有独特的孔道结构,大的比表面积,更多的活性位点,有助于增强客体材料与分子的接触面积,用于催化、光催化,气敏等领域具有很好的应用前景。而具有大尺寸的中空结构不仅具有纳米中空结构的优势,同时该类结构又具有大尺寸粒子的易分离处理等优点,因此具有更好应用前景。因此制备出具有大尺寸的中空结构的MoS2材料具有重要的研究价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸中空MoS2微球及其制备方法和应用。制备的MoS2微球具有中空结构,球壳由垂直排列的MoS2超薄纳米片组装而成,厚度可调节,具有较多的介孔及大孔结构,同时该微球具有开口结构。多孔结构有助于小分子的扩散传输,在催化、光/电催化、吸附、气敏传感、锂离子电池等领域等都有较优异的性能。
本发明还涉及一种大尺寸中空MoS2微球的制备方法,采用的是两步水热工艺,包含以下步骤:
(1)将一定量的Fe源和六亚甲基四胺加入装有乙醇与水组成的混合溶剂中,搅拌溶解。然后再加入适量的铜源,搅拌一定时间后将溶液转入水热反应釜中,水热反应一段时间后,冷却后取出样品,离心,洗涤,最后放入干燥箱中干燥,得到Cu-α-Fe2O3
(2)将一定量的钼源、硫源溶于去离子水中,磁力搅拌完全溶解,再加入步骤(1)中得到的材料,搅拌完全分散后加入水热反应釜中,水热反应,冷却、洗涤,离心,最后放入干燥箱干燥,得到Cu-α-Fe2O3@MoS2复合材料微球。
(3)将制备得到的复合微球中加入一定浓度的腐蚀液进行搅拌腐蚀,得到MoS2表面垂直排列的多孔结构的中空MoS2微球。
所述铁源为水溶性铁源,具体包括硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁、醋酸亚铁、磷酸铁,所述铁源的浓度为0.1mol/L~3 mol/L,所述Fe源和六亚甲基四胺的摩尔比为0.5-2:1。
所述乙醇/水混合溶剂中两者的体积比为0.25-4:1。
所述Cu-α-Fe2O3微球中Cu的含量为1wt%~10wt%。所述水热反应的温度为120℃~240℃,所述反应时间为4h~30h。
所述的Cu-α-Fe2O3、硫源与钼源的物质的量比为0.2-10:0.5-4:1。所述钼源的浓度为0.005~0.1mol/L。
所述腐蚀溶液为稀盐酸、稀硝酸溶液,所述腐蚀液的浓度为2wt%~10wt%。所述腐蚀时间为5min~20min。所述搅拌腐蚀的搅拌速度为20r/min~50r/min。
所述步骤(1)、步骤(2)中的产物经离心分离、洗涤液为无水乙醇+水的混合溶液,洗涤后采用真空干燥的方式,产物干燥温度为30 °C ~ 100 °C,干燥时间为2~20h。
所述大尺寸中空MoS2微球的壳层厚度可以通过调节钼源与Cu-α-Fe2O3的相对量进行调节。
本发明的另一目的是将制备的大尺寸中空MoS2微球用于催化、光催化、电催化、吸附、气敏传感、锂离子电池等领域。
本发明的有益效果为:
本发明所制备得到的大尺寸中空MoS2微球,该微球由MoS2超薄纳米片垂直排列而成,微球直径为 1~30μm,壳层厚度可以在5~500nm之间进行调节,具有丰富的孔道结构,孔尺寸均匀,分散性好,表面粗糙。
该方法以无机盐为原料,通过两步水热法制备大尺寸中空MoS2微球。可以通过调整原料浓度、体积,反应温度、反应时间等调控中空微球的结构。本发明制备的大尺寸中空MoS2微球粒径均匀,分散性好,表面粗糙,微球表面为垂直排列的MoS2超薄纳米片组装而成,具有丰富的孔道结构及超薄的纳米片结构,赋予材料较大的比表面积与丰富的反应活性位点,提高其活性。同时,较大尺寸的微球有助于材料的后续分离及收集,便于工业化应用。
附图说明
图 1 是实施例 1大尺寸中空MoS2微球的 X 射线衍射图谱。
图 2 是实施例 1大尺寸中空MoS2微球的扫描电镜照片。
图 3 是实施例 1大尺寸中空MoS2微球的透射电镜照片。
图 4 是实施例1大尺寸中空MoS2微球降解对硝基苯的紫外可见吸收光谱图。
图 5 是实施例 2大尺寸中空MoS2微球的扫描电镜照片。
图 6 是实施例 2大尺寸中空MoS2微球的透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例 1
1)将4.054g的六水合氯化铁(FeCI3·6H2O)和1.2g六亚甲基四胺(HMT)加入装有30ml体积比为1:1的乙醇/水混合溶剂的烧杯中,搅拌使之完全溶解。然后再加入1.0wt%的三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O),搅拌30min后将溶液转入50ml的水热反应釜中,经过180℃水热反应24h后,冷却后取出样品,用无水乙醇和去离子水洗涤,离心,最后放入干燥箱80℃下干燥10h,得到Cu-α-Fe2O3作为模板。
2)将0.35g四水合钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)、0.76g硫脲(CN2H4S )溶于20ml去离子水中,并用磁力搅拌30min,使之完全溶解,再加入20mg已得到的Cu-α-Fe2O3,搅拌30min使得完全分散后加入50mL的水热反应釜中,经过180℃水热反应24h后,冷却后取出样品,用无水乙醇和去离子水洗涤,离心,最后放入干燥箱80℃下干燥10h,得到Cu-α-Fe2O3@MoS2微球。
3)取0.2g的步骤(2)中制备的复合材料,加入到20ml的浓度为5wt%的稀盐酸溶液中,搅拌20min进行腐蚀,腐蚀后的溶液过滤,用去离子水与乙醇洗涤后置于真空干燥箱中进行干燥,收集得到大尺寸中空MoS2微球。
上述制备的大尺寸中空MoS2微球的 X 射线衍射图谱如图 1 所示,其衍射峰主要为MoS2,明显的馒头峰说明材料的结晶性比较差。上述制备的大尺寸中空MoS2微球的扫描电镜照片(见图 2),从中可以看出MoS2微球具有中空结构。上述制备的大尺寸中空MoS2微球的透射电镜照片(见图 3),从中可以看出大尺寸中空MoS2微球的空心结构。
上述制备的大尺寸中空MoS2微球粉体的直径约为2μm。BET测试结果表明MoS2微球的比表面积为127m2/g。
将上述制备的大尺寸中空MoS2微球用于催化还原3ml浓度为14mg/L的对硝基苯酚溶液,经15min后,催化还原效率达到90%,Kapp值0.1267min-1(图4)。
上述制备的中空MoS2微球进行吸附性能测试:将3mg的MoS2粉体加入到100ml浓度为75mg/L的亚甲基蓝溶液中,1min内亚甲基蓝的降解率达94%。
将上述制备的尺寸中空MoS2微球应用于电催化产氢领域,析氢反应起始过电位为108mV,塔菲尔斜率为84mV/dec。
将上述制备的中空MoS2微球应用于锂离子电池负极上,显示电流密度为0.2A g−1时可逆容量为361 mA h g-1
将上述制备的中空MoS2微球应用于气敏领域,当探测200ppm的甲醛时,灵敏度为13。
实施例2
1)将2.1g的六水合氯化铁(FeCI3·6H2O)和1.5g六亚甲基四胺(HMT)加入装有30ml体积比为1:1的乙醇/水混合溶剂的烧杯中,搅拌使之完全溶解。然后再加入3.0wt%的三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O),搅拌30min后将溶液转入50ml的水热反应釜中,经过180℃水热反应24h后,冷却后取出样品,用无水乙醇和去离子水洗涤,离心,最后放入干燥箱80℃下干燥10h,得到Cu-α-Fe2O3作为模板。
2)将0.5g四水合钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)、0.8g硫脲(CN2H4S )溶于20ml去离子水中,并用磁力搅拌30min,使之完全溶解,再加入20mg已得到的Cu-α-Fe2O3,搅拌30min使得完全分散后加入50mL的水热反应釜中,经过180℃水热反应24h后,冷却后取出样品,用无水乙醇和去离子水洗涤,离心,最后放入干燥箱80℃下干燥10h,得到Cu-α-Fe2O3@MoS2微球。
3)取0.2g的步骤(2)中制备的复合材料,加入到20ml的浓度为5wt%的稀盐酸溶液中,搅拌20min进行腐蚀,腐蚀后的溶液过滤,用去离子水与乙醇洗涤后置于真空干燥箱中进行干燥,收集得到大尺寸中空MoS2微球。
上述制备的大尺寸中空MoS2微球的 X 射线衍射图谱其衍射峰主要为MoS2,明显的馒头峰说明材料的结晶性比较差。上述制备的大尺寸中空MoS2微球的扫描电镜照片(见图5),从中可以看出MoS2微球具有中空结构。上述制备的大尺寸中空MoS2微球的透射电镜照片可以看出大尺寸中空MoS2微球的空心结构(图6)。
上述制备的大尺寸中空MoS2微球粉体的直径约为2.2μm。BET测试结果表明MoS2微球的比表面积为135m2/g。
将上述制备的大尺寸中空MoS2微球用于催化还原3ml浓度为20mg/L的对硝基苯酚溶液,经15min后,催化还原效率达到92%。
上述制备的中空MoS2微球进行吸附性能测试:将1mg的MoS2粉体加入到50ml浓度为50mg/L的亚甲基蓝溶液中,2min内亚甲基蓝的降解率达90%。
将上述制备的尺寸中空MoS2微球应用于电催化产氢领域,析氢反应起始过电位为116mV,塔菲尔斜率为93mV/dec。
将上述制备的中空MoS2微球应用于锂离子电池负极上,显示电流密度为0.5A g−1时可逆容量为283 mA h g-1
将上述制备的中空MoS2微球应用于气敏领域,当探测100ppm的甲醛时,灵敏度为5.6。
实施例3
1)将3g的硝酸铁和1.5g六亚甲基四胺(HMT)加入装有50ml体积比为1:2的乙醇/水混合溶剂的烧杯中,搅拌使之完全溶解。然后再加入2.0wt%的三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O),搅拌30min后将溶液转入50ml的水热反应釜中,经过160℃水热反应20h后,冷却后取出样品,用无水乙醇和去离子水洗涤,离心,最后放入干燥箱80℃下干燥10h,得到Cu-α-Fe2O3作为模板。
2)将0.5g四水合钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)、0.8g硫脲(CN2H4S )溶于20ml去离子水中,并用磁力搅拌30min,使之完全溶解,再加入20mg已得到的Cu-α-Fe2O3,搅拌30min使得完全分散后加入50mL的水热反应釜中,经过180℃水热反应24h后,冷却后取出样品,用无水乙醇和去离子水洗涤,离心,最后放入干燥箱80℃下干燥10h,得到Cu-α-Fe2O3@MoS2微球。
3)取0.2g的步骤(2)中制备的复合材料,加入到20ml的浓度为8wt%的稀盐酸溶液中,搅拌20min进行腐蚀,腐蚀后的溶液过滤,用去离子水与乙醇洗涤后置于真空干燥箱中进行干燥,收集得到大尺寸中空MoS2微球。
上述制备的大尺寸中空MoS2微球的 X 射线衍射图谱其衍射峰主要为MoS2,明显的馒头峰说明材料的结晶性比较差。上述制备的大尺寸中空MoS2微球的扫描电镜照片及透射电镜照片可以看出大尺寸中空MoS2微球的空心结构。
上述制备的大尺寸中空MoS2微球粉体的直径约为1.8μm。BET测试结果表明MoS2微球的比表面积为89m2/g。
将上述制备的大尺寸中空MoS2微球用于催化还原3ml浓度为50mg/L的对硝基苯酚溶液,经10min后,催化还原效率达到87%。
上述制备的中空MoS2微球进行吸附性能测试:将1mg的MoS2粉体加入到50ml浓度为50mg/L的亚甲基蓝溶液中,3min内亚甲基蓝的降解率达94%。
将上述制备的尺寸中空MoS2微球应用于电催化产氢领域,析氢反应起始过电位为96mV,塔菲尔斜率为85mV/dec。
将上述制备的中空MoS2微球应用于锂离子电池负极上,显示电流密度为0.5A g−1时可逆容量为296 mA h g-1
将上述制备的中空MoS2微球应用于气敏领域,当探测500ppm的甲醛时,灵敏度为26。

Claims (10)

1.一种中空MoS2微球的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)水热法制备Cu-α-Fe2O3微球:将Fe源和六亚甲基四胺溶解于乙醇/水混合溶剂中,搅拌溶解,加入铜源,搅拌一定时间后将溶液转入水热反应釜中进行水热反应,冷却,离心,洗涤,干燥,得到Cu-α-Fe2O3
(2)将钼源、硫源溶于去离子水中,与步骤(1)中得到的材料混合均匀,然后加入水热反应釜中,水热反应,冷却、洗涤,离心,干燥,得到复合材料微球;
(3)将步骤(2)制备得到的复合材料微球用腐蚀液进行搅拌腐蚀,得到MoS2表面垂直排列的多孔结构的中空MoS2微球。
2.根据权利要求1所述的中空MoS2微球的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述铁源为水溶性铁源,具体包括硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁、醋酸亚铁、磷酸铁等,所述铁源的浓度为0.1mol/L~3mol/L,所述Fe源和六亚甲基四胺的摩尔比为0.5-2:1。
3.根据权利要求1所述的中空MoS2微球的制备方法,其特征在于,Cu-α-Fe2O3微球中Cu的含量为1wt%~10wt%。
4.根据权利要求1所述的中空MoS2微球的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的乙醇/水混合溶剂中两者的体积比为1:4~4:1,所述水热反应的温度为120℃~240℃,反应时间为4h~30h。
5.根据权利要求1所述的中空MoS2微球的制备方法,其特征在于,所述的Cu-α-Fe2O3、硫源与钼源的物质的量比为0.2-10:0.5-4:1,所述的硫源包括硫脲、硫代乙酰胺、甲基乙基硫醚、硫氢化钠、乙基苯基硫中的任意一种;所述的钼源包括钼酸钠、钼酸铵、磷钼酸铵中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的中空MoS2微球的制备方法,其特征在于,所述的腐蚀溶液为稀盐酸、或稀硝酸溶液,腐蚀液的浓度为2wt%~5wt%,腐蚀时间为5min~20min,所述搅拌腐蚀的搅拌速度为20r/min~50r/min。
7.根据权利要求1-6任一项所述制备得到的中空MoS2微球在催化降解有毒的苯酚类化合物上的应用,具体包括对硝基苯酚。
8.根据权利要求1-6 任一项所述制备得到的中空MoS2微球作为吸附剂在吸附有机染料污染物上的应用,具体包括亚甲基蓝。
9.根据权利要求1-6 任一项所述制备得到的中空MoS2微球在电催化方面的应用具体包括电催化产氢。
10.根据权利要求1-6任一项所述制备得到的中空MoS2微球在气敏传感、锂离子电池材料领域上的应用。
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