CN114769581B - 一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用 - Google Patents

一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114769581B
CN114769581B CN202210464210.0A CN202210464210A CN114769581B CN 114769581 B CN114769581 B CN 114769581B CN 202210464210 A CN202210464210 A CN 202210464210A CN 114769581 B CN114769581 B CN 114769581B
Authority
CN
China
Prior art keywords
nano
transition metal
metal sulfide
cavity
onion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210464210.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114769581A (zh
Inventor
冀梁
申胜平
盛唐
曹宏宇
冯威
谭楷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202210464210.0A priority Critical patent/CN114769581B/zh
Publication of CN114769581A publication Critical patent/CN114769581A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114769581B publication Critical patent/CN114769581B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0623—Sulfides, selenides or tellurides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/223—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating specially adapted for coating particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用，该纳米洋葱基于脉冲激光沉积法由完整的过渡金属硫化物纳米球壳同心层层复合生长而成。通过调控金属单质纳米球核心的粒径控制过渡金属硫化物纳米球壳的曲率。可同步提升过渡金属硫化物参与电化学反应时的导电性、反应活度和在强酸性或强碱性电解液中的结构稳定性，拓宽了其在电化学应用领域的发展前景。本发明过渡金属硫化物纳米洋葱可用作电催化析氢/析氧/氧还原催化剂、高频耐久电化学驱动器、亲液材料、导电增强材料和机械强度增强材料。

Description

一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及纳米材料电化学领域，特别涉及一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用。
背景技术
过渡金属硫化物是一类与石墨烯相似的，具有层状结构的二维材料，其具有独特的能带结构且矿储丰富。过渡金属硫化物的化学式为XS2，其中X通常由钼、钨、铌、铼、钛等过渡金属组成。过渡金属硫化物的“三明治结构”由一层过渡金属原子与两层硫原子以强共价键结合而成，纳米片层间通过范德华力相结合，层间距为0.6至0.7nm。由于过渡金属硫化物的堆叠方式不同，其可被分为1T相、2H相和3R相，其中1T相与3R相为亚稳态的金属相，而2H相为稳态的半导体相。不同的过渡金属硫化物可展现出不同的物理化学特性，其也因而可被应用于催化、储能、传感和电子元件等研究领域。
现阶段过渡金属硫化物在电化学研究领域的发展主要受限于较弱的电化学反应能力。过渡金属硫化物具有可调控的物理化学特性，当微纳观结构发生改变时，其物理化学特性也会随之改变，进而实现更剧烈的电化学反应。因此，针对过渡金属硫化物提出多功能型纳米结构是非常必要的，有助于提升过渡金属硫化物的电化学反应能力，推动其在电化学技术领域进一步的发展。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用，以解决背景技术中所述的过渡金属硫化物电化学反应活性较差的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种过渡金属硫化物纳米洋葱，由一种或多种过渡金属硫化物完整的纳米球壳同心层层复合生长而成，纳米球壳同心生长的核心为金属单质纳米球，纳米球壳的直径为5nm至400nm，复合层数为1层至100层，整体厚度为0.5nm至110nm，外层球壳需比其内侧临近球壳的直径大1.2nm至1.5nm，纳米球壳之间依靠范德华力结合。
进一步的，所述纳米球壳同心生长的核心即金属单质纳米球，直径为4.4nm至100nm，所述金属单质纳米球可同时提升纳米洋葱的导电性、在强酸或强碱电解液中的结构稳定性和机械强度，核心与纳米球壳在异质界面上依靠范德华力结合。
进一步的，通过控制金属单质纳米球核心的粒径调控层层复合生长的过渡金属硫化物纳米球壳的曲率。
本发明还提供一种过渡金属硫化物纳米洋葱的制备方法，整个制备过程是在腔体中完成，选取与目标纳米洋葱相同化学计量成分的过渡金属硫化物靶材，高能脉冲激光的照射使靶材在照射光斑处的温度迅速上升至蒸发温度以上，进而使靶材中的组分元素或化合物一同蒸发为高密度等离子体，高密度等离子体在高真空环境中会定向区域化膨胀发射，在沉积到基底上之前转变为不同粒径和层数的过渡金属硫化物纳米洋葱；脉冲激光源可选用准分子氟化氪激光源或YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为40～280mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为1～20Hz，通过脉冲频率控制照射次数进而调控生成的原子层数，实现对过渡金属硫化物纳米洋葱层数和厚度的调控作用；制备过程中腔体内的温度控制在10～150℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至2～3×10-1Torr，随后用分子泵抽至1×10-9～5×10-7Torr；选择硅片或金属箔材作为沉积基底，靶材与沉积基底间的距离控制在30～55mm；通过控制脉冲激光的能量密度和靶基间距调控金属单质纳米球核心的粒径，进而控制过渡金属硫化物纳米洋葱的曲率；在沉积完成后分3～5次向腔体内充入氮气或氩气，使腔体内的真空度保持在50～100Torr并维持4～10小时，随后切断氮气或氩气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将基底连带生长的过渡金属硫化物纳米洋葱一同从腔体中取出备用。
本发明还提供一种过渡金属硫化物纳米洋葱的应用，可生长在玻碳电极、石墨片、碳布、碳纸、氟掺杂氧化锡镀膜玻片、碳纳米材料、金属箔材或金属泡沫上用作电催化析氢、析氧或氧还原催化剂。
进一步的，所述的应用还包括，可生长在抗弯刚度小于纳米洋葱薄膜抗弯刚度的金属箔材或聚合物薄膜上用作具有高频率(＞1Hz)、高耐久性(20,000个循环后驱动性能保持在90％以上)、可在液态环境中服役的电化学驱动器。
进一步的，所述的应用还包括，可从沉积基底上机械剥落下制成涂层、悬浊层或粉末用作亲(酸性)液材料。
进一步的，所述的应用还包括，可从沉积基底上机械剥落下制成粉末用作导电增强结构。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)在保证二维过渡金属硫化物原有独特的物理化学特性的前提下，同步提升了其参与电化学反应时的导电性、化学反应活度和机械强度，进而推动了其在多种电化学应用领域中的发展；
(2)该纳米洋葱制备工艺简单、产品的循环稳定性和耐久性强且成本低廉。
附图说明
图1为发明纳米洋葱制备过程示意图；
图2为二硫化钨纳米洋葱的高清透射电子显微镜图；
图3为利用扫描透射电子显微镜拍摄到的二硫化钨纳米洋葱中存在的原子空位和缺陷；
图4为二硫化钨纳米洋葱层间结构的高清透射电子显微镜图；
图5为二硫化钨纳米洋葱析氢电催化剂和现有钨基析氢电催化剂的线性扫描伏安法曲线对比图；
图6为二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器和现有电化学驱动器响应速率的对比图；
图7为二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器的驱动位移随工作频率的变化规律以及和现有电化学驱动器驱动性能的对比图；
图8为二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器的耐久性测试结果；
图9为二硫化钼纳米洋葱亲液材料和二硫化钼实心纳米颗粒亲液材料的光学接触角对比图；
图10为二硫化钨纳米洋葱和二硫化钨实心纳米颗粒的导电性对比图；
图11为二硫化钼纳米洋葱和二硫化钼实心纳米颗粒在纳米压痕测试中的载荷—位移曲线。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为280mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为20Hz，通过将激光的脉冲次数控制在130,000至190,000次制备出如图2所示的4～6层纳米洋葱，纳米洋葱整体的厚度为2.4至4.2nm；实验过程中腔体内的温度为10℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至3×10-1Torr，随后用分子泵抽至5×10-7Torr；选取6μm、纯度99.9％、2×2cm2的铝箔作为沉积基底，二硫化钨靶材与铝箔间的距离为55mm；金属单质纳米球核心的粒径为25nm，这使得二硫化钨纳米洋葱的曲率为10-2nm-1级，进而暴露出如图3所示的原子空位和缺陷，为电化学反应提供了更多的活性反应位点，此外，二硫化钨的层间距由平直叠层式纳米结构中的0.618nm增长至如图4所示的0.658nm，大幅增大了电化学反应的活性面积；在沉积完成后分3次向腔体内充入氩气，使腔体内的真空度保持在50Torr并维持4小时，随后切断氩气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将铝箔基底连带生长的二硫化钨纳米洋葱一同从腔体内取出备用。
将取出的材料裁剪为1×1cm2的方片用作析氢电催化剂，如图5所示，二硫化钨纳米洋葱在发生剧烈析氢反应(电流密度达10mA cm-2)时的过电势仅为161mV，比二硫化钨纳米空壳(193mV)和实心纳米颗粒(217mV)在同等反应条件下的过电势低得多，表明二硫化钨纳米洋葱具有出色的电化学反应活度。
实施例2：
如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为40mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为1Hz，将激光的脉冲次数控制在18,500,000至27,000,000次；实验过程中腔体内的温度为150℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至2×10-1Torr，随后用分子泵抽至1×10-9Torr；选取4μm、纯度99％、1×0.25cm2的钨箔作为沉积基底，二硫化钨靶材与钨箔间的距离为30mm；在沉积完成后分5次向腔体内充入氮气，使腔体内的真空度保持在100Torr并维持10小时，随后切断氮气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将钨箔基底连带生长的二硫化钨纳米洋葱一同从腔体内取出备用。
将取出的材料用作电化学驱动材料，如图6所示，相较于碳纳米材料、聚合物、MXene、黑磷和传统叠片式过渡金属硫化物电化学驱动器，二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器具有迄今为止最快的响应速率(0.24mm-1s-1)和较低的驱动电压(0.8V)，该响应速率至少是现有电化学驱动器响应速率的十倍以上。
实施例3：
如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为200mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为10Hz，将激光的脉冲次数控制在365,000至550,000次；实验过程中腔体内的温度为25℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至3×10-1Torr，随后用分子泵抽至1×10-8Torr；选取4μm、纯度99.9％、1×0.25cm2的铜箔作为沉积基底，二硫化钨靶材与铜箔间的距离为40mm；在沉积完成后分4次向腔体内充入氩气，使腔体内的真空度保持在75Torr并维持6小时，随后切断氩气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将铜箔基底连带生长的二硫化钨纳米洋葱一同从腔体内取出备用。
将取出的材料用作电化学驱动材料，如图7所示，传统电化学驱动器的驱动位移会随工作频率的提升迅速减小，当工作频率达到1Hz及以上时，电化学驱动效应就变得非常微弱，这对液态环境工作的电化学驱动器而言尤其明显。但是，二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器的驱动位移会随工作频率的提升先增大后减小，在4Hz达到最优驱动效果；此外，在工作频率提升至30Hz时，其依然能保持明显的驱动效应，足以证明其出色的高频驱动性能。
实施例4：
如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为150mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为5Hz，将激光的脉冲次数控制在950,000至1,450,000次；实验过程中腔体内的温度为105℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至2.5×10-1Torr，随后用分子泵抽至7×10-8Torr；选取4μm、纯度99.9％、1×0.25cm2的铜箔作为沉积基底，二硫化钨靶材与铜箔间的距离为45mm；在沉积完成后分3次向腔体内充入氮气，使腔体内的真空度保持在50Torr并维持9小时，随后切断氮气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将铜箔基底连带生长的二硫化钨纳米洋葱一同从腔体内取出备用。
将取出的材料用作电化学驱动材料，如图8所示，二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器展现出了出色的循环耐久性，其在23,000个驱动循环后依然能保持90％以上的驱动效应。
实施例5：
如图1所示，选取二硫化钼靶材；激光源选用YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为50mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为10Hz，将激光的脉冲次数控制在30,000至90,000次；实验过程中腔体内的温度为75℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至2×10-1Torr，随后用分子泵抽至2×10-7Torr；选取1×1cm2的硅片作为沉积基底，二硫化钼靶材与硅片间的距离为35mm；在沉积完成后分4次向腔体内充入氩气，使腔体内的真空度保持在75Torr并保持5.5小时，随后切断氩气供应，充入氧气使得腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将硅片基底连带生长的二硫化钼纳米洋葱一同从腔体内取出备用。
用手术刀片将二硫化钼纳米洋葱从硅片基底上机械剥落至无水乙醇中形成悬浊液，用胶头滴管抽取悬浊液滴在氟掺杂氧化锡镀膜玻片上，放入60℃的真空干燥箱烘干4小时，取出用作亲液材料，如图9所示，2μL、0.5mol稀硫酸在二硫化钼纳米洋葱上的光学接触角仅为22°，这表明其比实心颗粒的亲(酸性)液特性出色很多。
实施例6：
如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为120mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为15Hz，将激光的脉冲次数控制在320,000至1,000,000次；实验过程中腔体内的温度为15℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至3×10-1Torr，随后用分子泵抽至1×10-7Torr；选取10μm、纯度99.9％、1×1cm2的铝箔作为沉积基底，二硫化钨靶材与铝箔间的距离为45mm；在沉积完成后分5次向腔体内充入氩气，使腔体内的真空度保持在100Torr并维持4.5小时，随后切断氩气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将铝箔基底连带生长的二硫化钨纳米洋葱一同从腔体内取出备用。
将取出的材料用作导电增强材料，如图10所示，在导电原子力显微镜测试中，当施加一个40mV的激励电压后，二硫化钨纳米洋葱的导电率是实心纳米颗粒的4.5倍，足以证明其提升了二硫化钨的导电性。
实施例7：
如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为240mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为10Hz，将激光的脉冲次数控制在100,000至300,000次；实验过程中腔体内的温度为55℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至2.5×10-1Torr，随后用分子泵抽至4×10-7Torr；选取1×1cm2的硅片作为沉积基底，二硫化钨靶材与硅片间的距离为40mm；在沉积完成后分4次向腔体内充入氮气，使腔体内的真空度保持在75Torr并维持6小时，随后切断氮气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将硅片基底连带生长的二硫化钨纳米洋葱一同从腔体内取出备用。
如图11所示，通过纳米压痕测试可知，二硫化钨纳米洋葱的杨氏模量是实心纳米颗粒的5倍以上，这表明金属单质纳米球核心有助于提升机械强度。
以上所述的实施方式，仅为本发明较佳的具体实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种过渡金属硫化物纳米洋葱，其特征在于，由一种或多种过渡金属硫化物完整的纳米球壳同心层层复合生长而成，纳米球壳同心生长的核心为金属单质纳米球，纳米球壳的直径为5nm至400nm，复合层数为1层至100层，整体厚度为0.5nm至110nm，外层球壳需比其内侧临近球壳的直径大1.2nm至1.5nm，纳米球壳之间依靠范德华力结合。
2.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物纳米洋葱，其特征在于，所述纳米球壳同心生长的核心即金属单质纳米球，直径为4.4nm至100nm，所述金属单质纳米球能同时提升纳米洋葱的导电性、在强酸或强碱电解液中的结构稳定性和机械强度，核心与纳米球壳在异质界面上依靠范德华力结合。
3.根据权利要求1所述的过渡金属硫化物纳米洋葱，其特征在于，通过控制金属单质纳米球核心的粒径调控层层复合生长的过渡金属硫化物纳米球壳的曲率。
4.权利要求1至3任一项所述的过渡金属硫化物纳米洋葱的制备方法，其特征在于，整个制备过程是在腔体中完成，选取与目标纳米洋葱相同化学计量成分的过渡金属硫化物靶材，高能脉冲激光的照射使靶材在照射光斑处的温度迅速上升至蒸发温度以上，进而使靶材中的组分元素或化合物一同蒸发为高密度等离子体，高密度等离子体在高真空环境中会定向区域化膨胀发射，在沉积到基底上之前转变为不同粒径和层数的过渡金属硫化物纳米洋葱；脉冲激光源选用准分子氟化氪激光源或YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为40～280mJ mm-2的高能脉冲激光；激光的脉冲频率为1～20Hz，通过脉冲频率控制照射次数进而调控生成的原子层数，实现对过渡金属硫化物纳米洋葱层数和厚度的调控作用；制备过程中腔体内的温度控制在10～150℃；激光照射前先用机械泵将腔体内的真空度抽至2～3×10-1Torr，随后用分子泵抽至1×10-9～5×10-7Torr；选择硅片或金属箔材作为沉积基底，靶材与沉积基底间的距离控制在30～55mm；通过控制脉冲激光的能量密度和靶基间距调控金属单质纳米球核心的粒径，进而控制过渡金属硫化物纳米洋葱的曲率；在沉积完成后分3～5次向腔体内充入氮气或氩气，使腔体内的真空度保持在50～100Torr并维持4～10小时，随后切断氮气或氩气供应，充入氧气使腔体内气压逐渐升至环境大气压；随后将基底连带生长的过渡金属硫化物纳米洋葱一同从腔体中取出备用。
5.权利要求1至3任一项所述的过渡金属硫化物纳米洋葱的应用，其特征在于，生长在玻碳电极、石墨片、碳布、碳纸、氟掺杂氧化锡镀膜玻片、碳纳米材料、金属箔材或金属泡沫上用作电催化析氢、析氧或氧还原催化剂。
6.权利要求1至3任一项所述的过渡金属硫化物纳米洋葱的应用，其特征在于，生长在抗弯刚度小于纳米洋葱薄膜抗弯刚度的金属箔材或聚合物薄膜上用作具有＞1Hz的高频率、20,000个循环后驱动性能保持在90％以上的高耐久性、能在液态环境中服役的电化学驱动器。
7.权利要求1至3任一项所述的过渡金属硫化物纳米洋葱的应用，其特征在于，从沉积基底上机械剥落下纳米球壳制成涂层、悬浊层或粉末用作亲酸性液体材料。
8.权利要求1至3任一项所述的过渡金属硫化物纳米洋葱的应用，其特征在于，从沉积基底上机械剥落下纳米球壳制成粉末用作导电增强结构。
CN202210464210.0A 2022-04-29 2022-04-29 一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用 Active CN114769581B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210464210.0A CN114769581B (zh) 2022-04-29 2022-04-29 一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210464210.0A CN114769581B (zh) 2022-04-29 2022-04-29 一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114769581A CN114769581A (zh) 2022-07-22
CN114769581B true CN114769581B (zh) 2023-09-05

Family

ID=82434911

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210464210.0A Active CN114769581B (zh) 2022-04-29 2022-04-29 一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114769581B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002105623A (ja) * 2000-09-27 2002-04-10 Kobe Steel Ltd カーボンオニオン薄膜およびその製造方法
CN1890182A (zh) * 2003-12-08 2007-01-03 约塞夫史蒂芬学院 基于金属－硫属元素－卤素体系的准一维聚合物
CN101362200A (zh) * 2008-09-20 2009-02-11 大连理工大学 金属氧化物包覆异质金属“核/壳”型纳米粒子的合成方法
CN102145288A (zh) * 2011-02-23 2011-08-10 南京大学 核-壳结构的铋铁铌基复合磁性颗粒光催化剂、制备及应用
CN103205724A (zh) * 2013-04-23 2013-07-17 南开大学 一种二硫化钼薄膜材料的制备方法
CN104192908A (zh) * 2014-08-25 2014-12-10 华东师范大学 纳米球包围的MoS2微米空心球结构半导体材料及其制备方法
CN109147986A (zh) * 2018-09-13 2019-01-04 慈溪市万金电子元件有限公司 一种内嵌金属的碳洋葱导电材料及其制备方法
CN110863962A (zh) * 2019-11-13 2020-03-06 西安交通大学 纳米颗粒团聚型纳米多孔电化学驱动器及其制备和测试方法
CN111841578A (zh) * 2020-07-27 2020-10-30 西安交通大学 一种过渡金属硫化物核壳纳米球析氢催化剂及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8507556B2 (en) * 2007-09-22 2013-08-13 Boise State University Fluorescent particles comprising nanoscale ZnO layer and exhibiting cell-specific toxicity

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002105623A (ja) * 2000-09-27 2002-04-10 Kobe Steel Ltd カーボンオニオン薄膜およびその製造方法
CN1890182A (zh) * 2003-12-08 2007-01-03 约塞夫史蒂芬学院 基于金属－硫属元素－卤素体系的准一维聚合物
CN101362200A (zh) * 2008-09-20 2009-02-11 大连理工大学 金属氧化物包覆异质金属“核/壳”型纳米粒子的合成方法
CN102145288A (zh) * 2011-02-23 2011-08-10 南京大学 核-壳结构的铋铁铌基复合磁性颗粒光催化剂、制备及应用
CN103205724A (zh) * 2013-04-23 2013-07-17 南开大学 一种二硫化钼薄膜材料的制备方法
CN104192908A (zh) * 2014-08-25 2014-12-10 华东师范大学 纳米球包围的MoS2微米空心球结构半导体材料及其制备方法
CN109147986A (zh) * 2018-09-13 2019-01-04 慈溪市万金电子元件有限公司 一种内嵌金属的碳洋葱导电材料及其制备方法
CN110863962A (zh) * 2019-11-13 2020-03-06 西安交通大学 纳米颗粒团聚型纳米多孔电化学驱动器及其制备和测试方法
CN111841578A (zh) * 2020-07-27 2020-10-30 西安交通大学 一种过渡金属硫化物核壳纳米球析氢催化剂及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
双金属洋葱结构纳米Mo0.9W0.1s2;宋旭春等;《无机化学学报》;第1095-1098页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114769581A (zh) 2022-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Carbon-coated MoSe2/MXene hybrid nanosheets for superior potassium storage
Zhou et al. A review on transition metal nitrides as electrode materials for supercapacitors
Luo et al. Tunable MXene-derived 1D/2D hybrid nanoarchitectures as a stable matrix for dendrite-free and ultrahigh capacity sodium metal anode
Liang et al. Inorganic porous films for renewable energy storage
Zhang et al. Manganese oxide based materials for supercapacitors
Roberts et al. High specific capacitance conducting polymer supercapacitor electrodes based on poly (tris (thiophenylphenyl) amine)
Wu et al. Synthesis of highly effective vanadium nitride (VN) peas as a counter electrode catalyst in dye-sensitized solar cells
Mahadik et al. Syntheses and electronic structure engineering of transition metal nitrides for supercapacitor applications
US8734999B2 (en) Carbon nanotube forming substrate, carbon nanotube complex, energy device, method for manufacturing energy device, and apparatus including energy device
Foo et al. High-performance supercapacitor based on three-dimensional hierarchical rGO/nickel cobaltite nanostructures as electrode materials
Li et al. Synthesis of surface grown Pt nanoparticles on edge-enriched MoS2 porous thin films for enhancing electrochemical performance
US20140268490A1 (en) Super Capacitor And Method For Manufacturing The Same
JP2014508399A (ja) スーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極及びこれの製造方法
Galstyan et al. Anodic TiO2 nanotubes: A promising material for energy conversion and storage
Zhang et al. Advanced three-dimensional microelectrode architecture design for high-performance on-chip micro-supercapacitors
Mevada et al. Limitations and recent advances in high mass loading asymmetric supercapacitors based on pseudocapacitive materials
Zhang et al. Recent progress in MXene-based nanomaterials for highperformance aqueous zinc-ion hybrid capacitors
Gai et al. Self-sacrificing template-derived hollow-structured NiCo2S4 spheres with highly efficient supercapacitance performance
Phor et al. Electrode materials for supercapacitors: a comprehensive review of advancements and performance
CN114769581B (zh) 一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用
Zhao et al. Asymmetric hybrid capacitor based on Co 3 O 4 nanowire electrode
Niu et al. FeOOH composite electrode based on TiN nanopetals for high-performance supercapacitors
Mohammed et al. Deposition of Ni (OH) 2 on nickel substrate using vacuum kinetic spray and its application to high-performance supercapacitor
US20230274891A1 (en) Direct growth cross-linked carbon nanotubes on microstructured metal substrate for supercapacitor application
Zhang et al. High-performance and binder-free anodized ZrTiAlV alloy anode material for lithium ion microbatteires

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant