一种单层MoS2纳米片溶液的制备方法转让专利
申请号 : CN201210057757.5
文献号 : CN102583547B
文献日 : 2013-12-04
发明人 : 阎鑫 , 赵鹏 , 艾涛
申请人 : 长安大学
摘要 :
本发明公开了一种单层MoS2纳米片溶液的制备方法，该方法包括以下步骤：称量MoS2粉末置于吡咯烷酮类溶剂中，磁力搅拌后，转入水热反应釜中进行水热预处理；向经过水热预处理的溶液加入表面活性剂，通过超声粉碎机进行超声剥离，然后将得到的溶液进行离心处理；取上层清液即为单层MoS2纳米片溶液。与现有技术使用MoS2与烷基锂反应后进行超声剥离得到单层MoS2纳米片溶液相比较，本发明中使用的有机溶剂对环境不敏感，而且整个制备周期短，得到的单层MoS2纳米片分散性与稳定性更好，成本也较低。
权利要求 :
1.一种单层MoS2纳米片溶液的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）选取N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、N-辛基吡咯烷酮、N-十二烷基吡咯烷酮、N-环己基吡咯烷酮、二甲基咪唑烷酮其中一种作为溶剂，向所选择的溶剂中加入MoS2粉体，其中MoS2粉体在溶剂的浓度为0.5～1.5mg/mL，然后将混合的溶液磁力搅拌30min，移入水热反应釜；
2）将上述反应釜置于烘箱80～120℃，反应时间6～8h，得到前驱体溶液；
3）取出经过水热处理的前驱体溶液，向前驱体溶液中加入表面活性剂，其中表面活性剂与前驱体溶液的质量百分比为1%～4%，然后将加入表面活性剂的前驱体溶液采用超声粉碎机进行超声粉碎，超声功率180～300W，超声时间1～2h；
4）将经过超声剥离的溶液进行离心处理1～2h，离心机转速800～1500rpm，取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
2.根据权利要求1所述的一种制备单层MoS2纳米片溶液的方法，其特征在于，所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，十六烷基三甲基氯化铵，十八胺或者三乙醇胺。
说明书 :
一种单层MoS2纳米片溶液的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种以水热反应预处理，超声液相剥离合成单层MoS2纳米片溶液的制备方法。
背景技术
[0002] 过渡金属硫化物MoS2为层状结构，层内为强的化学键，层间为极弱的范德华力，通过破坏层间的范德华力可得到单层MoS2纳米片，这种二维结构的MoS2纳米片在纳米电子学、摩擦、催化、能源和高性能的复合材料等领域具有广泛的应用前景。目前制备单层MoS2纳米片的方法有机械剥离法，液相剥离法。机械剥离法制备量较小，很难满足工业化要求。相比较液相剥离法可以得到较高产量的单层纳米片产物，而且液相剥离过程容易与其它金属化合物形成纳米复合材料，大大提升单层MoS2的性能和应用领域(江雪娅等，重新堆积和钴离子掺杂的MoS2负极材料的合成和性能研究，湖南大学学报(自然科学版)，2011，
33(3)：288-292；贾太轩等，磷改性Ni/MoS2复合材料的制备及其催化性能，化工新型材料，
2009，33(3)：47-49)。目前液相剥离方法都是采用MoS2和烷基锂进行插成反应后，然后超声剥离得到(王廷梅等，单层MoS2悬浊液的制备及其摩擦学行为研究，摩擦学学报，2003，
23(3)：192-196；胡坤宏等，二硫化钼纳米微粒及其单层悬浮液的制备，安徽化工，2007，
33(1)：38-40)。MoS2与烷基锂的反应时间周期较长，同时烷基锂具有强的化学活性，对环境极为敏感，需要惰性溶剂保护。该反应条件苛刻，成本较高，不易工业化。同时反应中采用的烷基锂化合物与很多溶剂不相容，这使得在制备单层MoS2纳米片与其它金属形成纳米复合材料时，需要更复杂的工艺。另外，目前使用液相剥离方法制备出的单层MoS2溶液的稳定性并没有明确的报道。胡坤宏(胡坤宏等，二硫化钼纳米微粒及其单层悬浮液的制备，安徽化工，2007，33(1)：38-40)等人研究发现制备的单层MoS2溶液有一定的团聚现象。因此，需求一种工艺简单，成本低廉的制备能稳定放置的单层MoS2纳米片溶液的方法具有十分重要的意义。
33(3)：288-292；贾太轩等，磷改性Ni/MoS2复合材料的制备及其催化性能，化工新型材料，
2009，33(3)：47-49)。目前液相剥离方法都是采用MoS2和烷基锂进行插成反应后，然后超声剥离得到(王廷梅等，单层MoS2悬浊液的制备及其摩擦学行为研究，摩擦学学报，2003，
23(3)：192-196；胡坤宏等，二硫化钼纳米微粒及其单层悬浮液的制备，安徽化工，2007，
33(1)：38-40)。MoS2与烷基锂的反应时间周期较长，同时烷基锂具有强的化学活性，对环境极为敏感，需要惰性溶剂保护。该反应条件苛刻，成本较高，不易工业化。同时反应中采用的烷基锂化合物与很多溶剂不相容，这使得在制备单层MoS2纳米片与其它金属形成纳米复合材料时，需要更复杂的工艺。另外，目前使用液相剥离方法制备出的单层MoS2溶液的稳定性并没有明确的报道。胡坤宏(胡坤宏等，二硫化钼纳米微粒及其单层悬浮液的制备，安徽化工，2007，33(1)：38-40)等人研究发现制备的单层MoS2溶液有一定的团聚现象。因此，需求一种工艺简单，成本低廉的制备能稳定放置的单层MoS2纳米片溶液的方法具有十分重要的意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种工艺简单，成本低廉，对空气和水等外界环境不敏感，并且易于工业化的单层MoS2纳米片溶液的制备方法。 [0004] 本发明通过水热反应对MoS2粉末进行分散处理，选取的溶剂在水热条件下对MoS2粉末 有更好的分散性和溶解性。经过水热处理后的MoS2溶液，向其中加入表面活性剂，再经过超声剥离，即可得到单层MoS2纳米片溶液。具体包括以下步骤：
[0005] 1)选取N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、N-辛基吡咯烷酮、N-十二烷基吡咯烷酮、N-环己基吡咯烷酮、二甲基咪唑烷酮其中一种作为溶剂，向所选择的溶剂中加入MoS2粉体，其中MoS2粉体在溶剂的浓度为0.5～1.5mg/mL，然后将混合的溶液磁力搅拌30min，移入水热反应釜；
[0006] 2)将上述反应釜置于烘箱80～120℃，反应时间6～8h，得到前驱体溶液； [0007] 3)取出经过水热处理的前驱体溶液，向前驱体溶液中加入表面活性剂，其中表面活性剂与前驱体溶液的质量百分比为1％～4％，然后将加入表面活性剂的前驱体溶液采用超声粉碎机进行超声粉碎，超声功率180～300w，超声时间1～2h；
[0008] 4)将经过超声剥离的溶液进行离心处理1～2h，离心机转速800～1500rpm/h，取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
[0009] 其中，本发明的进一步的特点在于，加入的MoS2粉体的浓度为0.5～1.5mg/mL。 [0010] 其中，本发明的进一步的特点在于，所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，十六烷基三甲基氯化铵，十八胺或者三乙醇胺。
[0011] 其中，本发明的进一步的特点在于，所述的表面活性剂与前驱体溶液的质量百分比为1％～4％
[0012] 与现有技术相比，本发明所采用将MoS2粉末通过有机溶剂进行水热预处理，在水热反应条件下，将整个体系置于高温高压环境，使用的有机溶剂对MoS2粉末的溶解度和分散度都大大提高，有机小分子更容易进入MoS2粉末的层间，从而将MoS2结构中的层间距拓宽，进一步减小层间的范德华作用力。水热预处理后，向得到的溶液加入适量的阳离子表面活性剂，然后进行超声剥离。在超声作用下，经过水热预处理后的MoS2粉末易于发生脱落成单层MoS2纳米片，脱落产生的单层MoS2纳米片带有负电荷，与其中阳离子表面活性剂容易结合，表面活性剂同时又可以有效分散MoS2纳米片，使得超声剥离的单层MoS2纳米片不容易团聚，在溶液体系能稳定地存在。即可得到稳定性较好的单层MoS2纳米片溶液。 [0013] 与现有技术使用MoS2与烷基锂反应后进行超声剥离得到单层MoS2纳米片溶液相比较，本发明中使用的有机溶剂对环境不敏感，而且整个制备周期短，得到的单层MoS2纳米片分散性与稳定性更好，成本也较低。
附图说明
[0014] 图1本发明制得的MoS2纳米片的XRD图。
[0015] 图2本发明制得的MoS2纳米片的透射电子显微镜(TEM)形貌图。 [0016] 图3是实施例1-实施例6条件下制得的MoS2纳米片溶液的浓度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
[0017] 下面通过具体实施例对本发明的具体内容作进一步详细说明。 [0018] 实施例1
[0019] 取100ml N-甲基吡咯烷酮溶剂，向其中加入50mg MoS2粉末，置于磁力搅拌器上搅拌30min，将溶液移入150ml水热反应釜中，置于烘箱中，设定反应温度为120℃，反应时间为6h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入0.5克十六烷基三甲基溴化铵，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为180w，超声时间为2h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速800rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
[0020] 实施例2
[0021] 取100ml N-乙烯基吡咯烷酮，向其中加入100mg MoS2粉末，置于磁力搅拌器上搅拌30min，将溶液移入150ml水热反应釜中，置于烘箱中，设定反应温度为100℃，反应时间为7h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入1.0克十六烷基三甲基氯化铵，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为200w，超声时间为1h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心1h，离心机转速1400rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
[0022] 实施例3
[0023] 取50ml N-十二烷基吡咯烷酮，向其中加入60mg MoS2粉末，置于磁力搅拌器上搅拌30min，将溶液移入150ml水热反应釜中，置于烘箱中，设定反应温度为80℃，反应时间为8h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入1.0克十六烷基三甲基溴化铵，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为200w，超声时间为1h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速1000rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
[0024] 实施例4
[0025] 取100ml N-辛基吡咯烷酮，向其中加入120mg MoS2粉末，置于磁力搅拌器上搅拌30min，将溶液移入150ml水热反应釜中，置于烘箱中，设定反应温度为100℃，反应时间为
7h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入1.25克十八胺，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为180w，超声时 间为2h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速800rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
7h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入1.25克十八胺，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为180w，超声时 间为2h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速800rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
[0026] 实施例5
[0027] 取50ml N-环己基吡咯烷酮，向其中加入25mg MoS2粉末，置于磁力搅拌器上搅拌30min，将溶液移入150ml水热反应釜中，置于烘箱中，设定反应温度为120℃，反应时间为
6h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入0.75克十六烷基三甲基溴化铵，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为280w，超声时间为1h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速
800rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
6h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入0.75克十六烷基三甲基溴化铵，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为280w，超声时间为1h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速
800rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
[0028] 实施例6
[0029] 取50ml二甲基咪唑烷酮，向其中加入50mg MoS2粉末，置于磁力搅拌器上搅拌30min，将溶液移入150ml水热反应釜中，置于烘箱中，设定反应温度为80℃，反应时间为
8h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入2.5克三乙醇胺，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为200w，超声时间为2h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速1000rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
8h。反应结束后，取出溶液置于烧杯中，并向溶液中加入2.5克三乙醇胺，置于磁力搅拌器上搅拌30min。然后将烧杯置于超声粉碎机进行超声剥离，设定超声粉碎机的功率为200w，超声时间为2h。将经过超声粉碎机处理的溶液进行离心2h，离心机转速1000rpm/h。取上层清液即可得到单层MoS2纳米片溶液。
[0030] 参见图1为遵循本发明技术方案制得的MoS2纳米片的XRD图。所使用的X射线衍射设备为日本理学Rigaku D/Max-2400型X射线衍射仪，X射线源为Cu靶。图中所有的衍射峰均为六方结构的MoS2，没有其它的杂相成分。
[0031] 图2为遵循本发明技术方案制得的MoS2纳米片的透射电子显微镜(TEM)形貌图。所使用的透射电镜设备为荷兰FEI公司Tecnai F30型透射电镜，加速电压为300kV。图中可以看出制备的MoS2纳米片确实是单层结构。
[0032] 图3是实施例1-实施例6条件下制得的MoS2纳米片溶液的浓度随时间变化的曲线图。横坐标表示的是放置时间(单位为小时)，纵坐标表示的是MoS2纳米片溶液的浓度(单位为mg/mL)。从图中可以看出经过长时间的放置后，本发明所制备的MoS2纳米片溶液的浓度并没有明显的变化，显示出良好的稳定性。