CN110683581B - 一种自组装千层状ws2纳米结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种自组装千层状WS2纳米片结构的准备方法，属于材料制备技术领域。本发明使用高温高压反应釜，用钨酸钠和硫代乙酰胺作为原料，不使用任何表面活性剂，通过水热的方法，严格控制反应的温度和时间等条件，合成了千层状WS2纳米片结构。所述方法合成工艺和设备简单，工艺参数可控性强，成本低廉。所得千层状WS2纳米片结构粒径分布均匀，边缘活性位点暴露多；这种千层状纳米片结构在催化剂、燃料电池、半导体器件和可充电电池等领域有广泛的应用前景。

Description

一种自组装千层状WS2纳米结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种自组装千层状WS2纳米结构的制备方法，属于材料制备技术领域。
背景技术
过渡金属二硫化物(TMDs)是类似于石墨烯结构的一类二维材料，由于其优异的物理及化学性能，在电子和光学器件领域具有很好的应用前景，如可充电电池、催化分解水制氢、太阳能光伏电池、超级电容器和传感器等。研究表明，在电催化分解水的过程中，层状TMDs 的边缘(即(100)晶面)能够提供很多析氢反应(hydrogen evolution reaction，HER)的活性位点，从而使得TMDs具有优于其他化合物、只稍逊贵金属的电催化性能；在光催化中，TMDs 边缘的催化活性位点能够降低光催化分解水制氢的活化能；在电化学反应中，TMDs边缘活性位点具有一定的吸附和催化性能，能够显著提高电池的稳定性和电化学性能(Babu G， Masurkar N，Al Salem H，et al.Transition metal dichalcogenide atomiclayers for lithium polysulfideselectrocatalysis.Journal of the AmericanChemical Society，2016，139(1)：171-178.)。但是，块体或颗粒状的TMDs由于边缘活性位点数量较少，催化活性难以进一步提高，而单层的TMDs虽然边缘活性位点的比例较高，但是其制备方法具有一定的难度，产量也不高。因此制备各种TMDs纳米片组装的纳微米结构(如TMDs纳米花、纳米阵列等)，来提高TMDs 纳米结构中暴露的活性位点的数量是提高TMDs电催化、光催化、电学、电化学等性能的关键途径。
现已报道的合成垂直生长的TMDs纳米片阵列的方法主要是物理法，其反应温度较高，实验条件较为苛刻。相较于物理法，化学法合成具有过程简单，反应条件易于控制，成本低等特点。本发明首次利用水热反应制备了形貌新颖，结晶度高的千层状WS2纳米结构，该纳米结构由多个WS2纳米片自组装而成，可序度高，形貌均一。相较于花状WS2纳米结构，这种千层状WS2纳米结构的边缘活性位点暴露得更加充分，且制备过程没有使用任何表面活性剂，降低了生产成本。由于其独特的结构特征，将在催化剂、半导体器件和能源储存等领域有广泛的应用前景
发明内容
本发明的目的在于提出一种高纯度、结晶化的自组装千层状WS2纳米结构的制备方法，该方法采用水热法，以钨酸钠(Na2WO4)和硫代乙酰胺(C2H5NS)作为原料，经严格控制水热反应的温度和时间等条件，制备得到了自组装千层状WS2纳米结构。该方法具有反应条件严格可控、设备和工艺简单、成本低廉等优点。所获得自组装千层状WS2纳米结构，大小均匀，结晶良好，纯度高。
本发明提出的自组装千层状WS2纳米结构制备方法，其特征在于，所述方法没有添加任何表面活性剂，通过水热反应合成了形貌结构新颖的自组装千层状WS2纳米结构，包括以下步骤：
(1)将一定比例的钨酸钠和硫代乙酰胺加入到干净的烧杯中，加入适量水，搅拌均匀。用非氧化性酸调节溶液pH。
(2)将混合溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，盖上金属外壳，拧紧密封。将其放入烘箱中，设置温度和时间。反应完成后，自然冷却至室温，得到黑色沉淀，用水和乙醇洗涤数次，真空干燥。最后得到千层状WS2纳米片结构。
在上述制备方法中，所述步骤(1)中的原料为市售分析纯钨酸钠粉末和硫代乙酰胺粉末。
在上述制备方法中，所述步骤(1)中，钨酸钠和硫代乙酰胺的物质的量比控制在1∶2到 1∶10之间。
所上述制备方法中，所述步骤(1)中的酸可用草酸、柠檬酸、盐酸。
在上述制备方法中，所述步骤(1)中，溶液pH控制在1-3之间。
在上述制备方法中，所述步骤(2)中的反应温度为180-220℃。
在上述制备方法中，所述步骤(2)中的反应时间为12-24h。
采用本技术制备自组装千层状WS2纳米结构，具备设备和工艺简单、反应条件严格可控，成本低廉等特点，所获得自组装千层状WS2纳米结构，粒径均匀，结晶良好，纯度高。
附图说明
图1是本发明实施例1所制得的自组装千层状WS2纳米结构的扫描电镜照片
图2是本发明实施例1所制得的千层状WS2纳米片的XRD图谱
具体实施方法
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明提出一种高纯度千层状WS2纳米片结构的制备方法，其特征在于，所述方法没有添加任何表面活性剂，通过水热反应合成自组装千层状WS2纳米结构，并包括如下步骤和内容：
(1)所采用原料为市售分析纯的钨酸钠和硫代乙酰胺粉末。
(2)称取钨酸钠和硫脲(物质的量之比为1∶3)，溶于30ml去离子水中，搅拌均匀后，向溶液中加入非氧化性酸调节溶液pH至1。
(3)将上述溶液转移至50mL聚四氟乙烯反应釜中，盖上金属外壳，拧紧密封。放入烘箱中，设置时间24h，温度200℃。
(4)反应结束后，自然冷却至室温，得到黑色沉淀，分别用水和乙醇洗涤2～3次，60℃真空干燥12h。
在扫描电子显微镜下，能观察到大量的自组装片层状结构。
实施例1：称量钨酸钠0.8250g(2.5mmol)和硫代乙酰胺0.5640g(7.5mmol)溶于30ml去离子水中，再称取1.0086g草酸加入到上述混合溶液中，磁力搅拌1h。将上述溶液转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，盖上金属外壳，拧紧密封。放入烘箱中，设置时间24h，温度200℃。反应结束后，自然冷却至室温，离心得到黑色沉淀，分别用去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，60℃真空干燥12h。即可得到千层状WS2纳米片。
所合成的纳米结构片层堆积整齐，粒径均匀(见图1)。

Claims (1)

1.高纯度自组装千层状WS2纳米片结构的制备方法，其特征在于：所述方法没添加任何表面活性剂，通过水热反应合成了千层状WS2纳米片结构，包括以下步骤：
(1)将一定比例的钨酸钠和硫代乙酰胺加入到干净的烧杯中，加入适量水，搅拌均匀；用非氧化性酸调节溶液pH；
(2)将混合溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，盖上金属外壳，拧紧密封；将其放入烘箱中，设置温度和时间；反应完成后，自然冷却至室温，得到黑色沉淀，用水和乙醇洗涤数次，真空干燥；最后得到千层状WS2纳米片结构；
所述步骤(1)中钨酸钠和硫代乙酰胺的物质的量比控制在1∶2到1∶10之间；所述步骤(1)中的酸用草酸、柠檬酸、盐酸；所述步骤(1)中溶液pH控制在1-3；所述步骤(2)中反应的温度为180-220℃之间；所述步骤(2)中反应时间为12-24h。
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