本發明涉及無機材料領域，尤其是涉及一種微波鋰離子插層制備少層mos2納米片的方法。

背景技術：

自從2004年英國曼徹斯特大學兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫成功剝離石墨烯以來，石墨烯材料憑借其優異的電學、光學、力學等性能，在鋰離子電池、傳感器等方面有了很大的應用。然后，本征的石墨烯沒有帶隙，這限制了其在電子器件和光電子器件的應用。這也就引起了人們對新的二維材料的研究，主要有過渡金屬二硫化物(mos2、ws2、tis2等、過渡金屬氧化物tio2等，以及與石墨類似的氮化硼等,都是典型的非石墨烯二維材料，其中過渡金屬二硫化物最為引人注目。對于塊體金屬二硫化物的研究開始于幾十年前，現在已經有了廣泛的應用，然后對于二維金屬二硫化物的，近幾年才引起人們的關注。當過度金屬二硫化物由塊狀變為二維結構時，電子能帶結構可以由間接帶隙變為直接帶隙從而使得材料的光、電性能發生很大的變化，從而使得二維過渡金屬二硫化物在電子器件的應用方面有著許多類似甚至優于石墨烯的特性。未來在晶體管、太陽能電池等領域也會有更多的應用。

二硫化鉬是典型的層狀化合物，每個單元是s-mo-s的”三明治“結構，層內以共價鍵緊密結合在一起，層間是以微弱的范德華力結合在一起。其中mo和s以共價鍵結合為三方柱面體結構。這種層狀的晶體結構導致二硫化鉬層間易沿層面滑動，這也是其具有良好潤滑性能的原因所在。二硫化鉬是一種具有類似于石墨烯的片狀結構，因為其優異的潤滑性能而在摩擦潤滑領域有著廣泛的應用，二硫化鉬也可以作為加氫催化劑或者電催化制氫催化劑被廣泛應用于石油加氫脫硫、脫氮、加氫精制、制氫等領域中，是一種非常有前景的工業加氫催化劑和電催化制氫催化劑。另外，二硫化鉬還可以應用于插層材料、儲氫材料、超級電容器等領域中。

目前已經報道的二維過渡金屬二硫化物的制備方法主要和剝離石墨烯的方法類似，主要有機械剝離法、液相剝離法、水熱合成法、電化學剝離法等。這些方法能夠制備出優異性能的少層二硫化鉬(行業內定義層數小于10層為少層二硫化鉬)，但也存在一些不足之處，制備耗時長、能源利用率不高的缺點，微波剝離可以很好地解決這些問題。

中國專利201510495993.9公開了一種使用氮氣(n2)和六氟化硫(sf6)氣體在低密度等離子體放電環境下對層狀二維材料二硫化鉬(mos2)刻蝕的方法，使得層狀mos2被均勻、有效地逐層刻蝕，最終達到單層或者少層。該專利采用純化學刻蝕法制備少層mos2，雖然制得的少層mos2表面損傷小，但是其制備工藝相對復雜，耗時也比較長。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種微波鋰離子插層制備少層mos2納米片的方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：

(1)往反應容器中加入鋰離子插層劑、硫化鉬和溶劑，水浴加熱，得到水浴加熱產物；

(2)將步驟(1)得到的水浴加熱產物再進行微波加熱，冷卻后得到黑色產物；

(3)將步驟(2)得到的黑色產物分離、洗滌干凈后，分散于去離子水中進行剝離；

(4)將步驟(3)得到的剝離后的產物過濾、干燥后，即得到少層mos2納米片。

步驟(1)中所述的鋰離子插層劑為一水氫氧化鋰，其在溶劑中的濃度為(0.8～1.14)g/60ml溶劑。

步驟(1)中所述的硫化鉬為塊狀硫化鉬，其在溶劑中的濃度為(0.2～0.3)g/60ml溶劑。

步驟(1)中的溶劑為乙二醇。

步驟(1)中水浴加熱的溫度為60～80℃，加熱時間為15～35min。

步驟(2)中水浴加熱產物的微波加熱是在微波爐中進行的，其加熱工藝條件 為：微波爐功率為200～300w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進行，直至總加熱時間為30min為止；

冷卻的工藝條件為隨微波爐冷卻至室溫。

步驟(3)中黑色產物的分離、洗滌的工藝條件為：將黑色產物以1500～2500r/min的轉速離心5～10min，然后提取上層懸浮液，再以8000～12000r/min的轉速用丙酮離心洗滌；

洗滌干凈后的黑色產物在去離子水中的剝離為超聲剝離，剝離時間為30～60min。

步驟(3)中剝離后的產物的過濾為用多孔聚偏二氟乙烯濾膜進行抽濾。

所述的多孔聚偏二氟乙烯濾膜的孔徑為0.45μm。

步驟(3)中干燥的工藝條件為：在60～80℃下真空干燥8～10h。

反應過程中，乙二醇因為具有較強的固有偶極子，有利于微波吸收，所以選擇乙二醇作為反應的溶劑，可以促進鋰離子插入硫化鉬層間，一水氫氧化鋰提供反應過程中的鋰離子，一水氫氧化鋰的濃度在(0.8～1.14)g/60ml，如果低于這個濃度，用于剝離塊狀硫化鉬的鋰離子量不足，高于這個濃度，一水氫氧化鋰不能充分分散在乙二醇溶劑中。通過水浴加熱，使一水氫氧化鋰、硫化鉬更好地分散在乙二醇溶劑中，微波加熱過程中，乙二醇不斷吸收能量，一水氫氧化鋰中的鋰離子可以在溶劑不斷升溫的條件下進入到硫化鉬層間，微波加熱的時間過短，不能使得反應充分進行，加熱的時間過長，則會使得乙二醇揮發的較多。離心結束后的粉末溶解在去離子水中，去離子水可以和插入鋰離子的硫化鉬發生反應,從而將塊狀硫化鉬剝離至少層硫化鉬。過程涉及的化學反應如下：

mos2+yli⁺+ye^--->liy⁺(mos2)^-y

liy⁺(mos2)^-y+yh2o/-->mos2(nano)+ylioh+y/2h2↑。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

(1)能源利用高效、反應時間短：本發明通過采用微波剝離法制備少層mos2納米片，相比于常規的剝離法制備少層mos2納米片而言，微波剝離法中的微波加熱是通過材料化學鍵吸收微波(電磁波)加快振動，從而提高溫度，使得能源利用率極高，同時，正因為其能源利用率極高，在同樣的用電功率下，其能以高速率升高溫度，并達到所需溫度，這同時也大大節約了制備時間。

(2)制備工藝簡單易行：本發明中的制備工藝操作相對簡單，反應時間短， 各反應原料價格低廉，特別適合規模化的工業生產。

附圖說明

圖1為本發明實施例1制得的少層mos2納米片的tem照片；

圖2為本發明實施例1制得的少層mos2納米片的hrtem(高分辨tem)照片；

圖3為本發明實施例1制得的少層mos2納米片的晶格條紋像；

圖4為本發明實施例1制得的少層mos2納米片的電子衍射圖像；

圖5為本發明實施例1中塊狀mos2微波剝離前和微波剝離后的xrd圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

一種微波鋰離子插層剝離制備少層mos2納米片的方法，包括以下步驟：將1.14g一水氫氧化鋰、0.2g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑加入到燒杯中，70℃水浴加熱25min后，轉移到家用微波爐中以240w加熱10min，停歇3min，加熱30min結束，隨爐冷卻至室溫，以2000r/min的速度離心7min，然后提取上層的懸浮液，再以10000r/min的速度離心，期間用丙酮進行清洗，然后將洗滌干凈后的黑色產物分散在去離子水中進行剝離45min，用多孔聚偏二氟乙烯濾膜進行過濾(孔徑為0.45μm)，最后將過濾后的產物置于70℃真空烘箱中保溫烘干9h后得到少層mos2納米片。

圖1為上述制得的少層mos2納米片的tem照片，由圖1(a)可以看出，本實施例制得了多個少層mos2納米片，由圖1(b)可以看出，制得的mos2納米片的大小在幾百納米左右，并由幾層納米片組成。

圖2為上述制得的少層mos2納米片的hrtem照片，可見層狀結構納米片的邊緣處有明顯的界線，由此說明剝離后的硫化鉬是少層的。

圖3和圖4分別為晶格條紋像和電子衍射圖像，兩者都很清晰，這也證實了剝離后的mos2具有單晶的性質。

圖5的xrd圖中，微波剝離前的塊狀硫化鉬的xrd圖譜與微波剝離后的塊狀硫化鉬的xed圖與標準卡片37-1492吻合，但是微波剝離后的塊狀硫化鉬的晶 面指數(004)和(006)的顯著變化，從而證明了塊狀硫化鉬在微波剝離過程中剝離成了少層硫化鉬。

實施例2

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入0.8g一水氫氧化鋰、0.25g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在70℃下水浴加熱25min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉移到微波爐中加熱，微波爐功率為200w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進行，直至總加熱時間為30min為止，微波加熱結束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產物以2000r/min的轉速離心6min，然后提取上層懸浮液，再以8000r/min的轉速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產物在分散于去離子水中超聲剝離30min；將剝離后的產物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進行抽濾，并在60℃的真空烘干箱中保溫干燥10h，即得到少層mos2納米片。

實施例3

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入1.14g一水氫氧化鋰、0.3g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在60℃下水浴加熱35min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉移到微波爐中加熱，微波爐功率為300w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進行，直至總加熱時間為30min為止，微波加熱結束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產物以2500r/min的轉速離心10min，然后提取上層懸浮液，再以12000r/min的轉速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產物在分散于去離子水中超聲剝離60min；將剝離后的產物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進行抽濾，并在80℃的真空烘干箱中保溫干燥8h，即得到少層mos2納米片。

實施例4

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入1.0g一水氫氧化鋰、0.2g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在80℃下水浴加熱15min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉移到微波爐中加熱，微波爐功率為260w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進行，直至總加熱時間為30min為止，微波加熱結束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產物以1500r/min的轉速離心10min，然后提取上層懸浮液，再以9000r/min的轉速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產物在分散于去離子水中超聲剝離40min；將剝離后的產物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜 (孔徑為0.45μm)進行抽濾，并在70℃的真空烘干箱中保溫干燥9h，即得到少層mos2納米片。

實施例5

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入0.9g一水氫氧化鋰、0.24g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在70℃下水浴加熱20min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉移到微波爐中加熱，微波爐功率為220w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進行，直至總加熱時間為30min為止，微波加熱結束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產物以2200r/min的轉速離心5min，然后提取上層懸浮液，再以11000r/min的轉速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產物在分散于去離子水中超聲剝離50min；將剝離后的產物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進行抽濾，并在65℃的真空烘干箱中保溫干燥9.5h，即得到少層mos2納米片。

實施例6

一種少層mos2納米片的制備方法，包括以下步驟：往燒杯中加入1.1g一水氫氧化鋰、0.27g塊狀硫化鉬和60ml乙二醇溶劑，在65℃溫度下水浴加熱30min，使三者混合均勻；然后將燒杯轉移到微波爐中加熱，微波爐功率為280w，加熱程序按每加熱10min、停歇3min進行，直至總加熱時間為30min為止，微波加熱結束后隨爐冷卻至室溫；再將微波加熱后得到黑色產物以1800r/min的轉速離心9min，然后提取上層懸浮液，再以10000r/min的轉速用丙酮離心洗滌，洗滌干凈后的黑色產物在分散于去離子水中超聲剝離45min；將剝離后的產物用多孔聚偏二氟乙烯濾膜(孔徑為0.45μm)進行抽濾，并在75℃的真空烘干箱中保溫干燥8.5h，即得到少層mos2納米片。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。