本發明屬于納米二維材料制備領域，更具體地，涉及一種離子插層型二維材料的制備方法。

背景技術：

二維材料由于其具有原子層厚度，能夠暴露更多的原子而具有很多特殊的物理化學性質，并因此廣泛應用在超導，場效應管，電催化以及能源存儲方面。

目前，二維材料的合成方法主要包括剝離法，化學氣相沉積法以及濕法化學法。剝離法可以對具有二維結構的塊體材料進行快速的剝離而產生納米片，但是通常產率較低，合成的二維材料的質量也并不均一；化學氣相沉積法是制備大面積高質量且厚度可控的二維材料的行之有效的方法，但昂貴的造價以及繁雜的制備工藝極大的阻礙了其商業化生產；濕法化學法通常采用表面活性劑等添加劑來輔助合成二維材料，能夠實現大面積制備，但反應時間比較長且后期需要去除掉有機雜質；要實現快速高效的制備出大面積高質量的二維材料，特別是離子插層型的二維材料，依然是一個很大的挑戰。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種離子插層型的二維材料的制備方法，其目的在于實現具有二維形貌的離子插層型二維材料的快速高效合成。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種離子插層型的二維材料的制備方法，以低熔點的鹽作為熔鹽，以金屬鹽作為前驅物，將前驅物加入熔融態的熔鹽中反應，將反應獲得的產物冷卻后清洗得到離子插層型的二維材料粉末；其中，低熔點的鹽是指熔點不高于400攝氏度的鹽；

獲得的離子插層型的二維材料的結構均是以[MO_x]多面體或[M(OH)_x]多面體為單元排列組合而成板層結構，且陽離子、陰離子或水分子插層在層間，以穩定二維材料的層狀結構；其中，M是指金屬陽離子，x是與金屬元素結合的O^2-或是OH^-的數量。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明提供的這種制備方法實現了快速高效的制備離子插層型二維材料；

(2)采用本發明提供的這種制備方法，可便捷實現離子插層型二維材料的大規模生產；

(3)采用本發明提供的這種制備方法，可通過對熔鹽種類的調節實現對層間的離子種類的調控；

(4)采用本發明提供的這種制備方法，制備成本低廉，樣品清洗處理過程簡單，且無需進一步分離即可制備均一的離子插層型二維材料。

附圖說明

圖1是實施例所制備的離子插層型二維材料的結構示意圖；

圖2為實施例2所制備的二維K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片的SEM圖片；

圖3為實施例2所制備的二維K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片的TEM圖片；

圖4為實施例2所制備的二維K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片的XRD圖片；

圖5為實施例5所制備的二維Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片的SEM圖片；

圖6為實施例5所制備的二維Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片的TEM圖片；

圖7為實施例5所制備的二維Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片的XRD圖片。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

實施例提供的離子插層型的二維材料的制備方法，以低熔點的鹽作為熔鹽，以金屬鹽作為前驅物，在特定溫度下反應一定時間，冷卻至室溫后用去離子水清洗抽濾，得到離子插層型的二維材料粉末；具體包括如下步驟：

(1)將低熔點的鹽置于馬弗爐中，爐溫設置在鹽的熔點與其分解溫度或沸點之間，使鹽成為熔融態；熔鹽的種類包括但不限于：硝酸鹽，氯化鹽，硫酸鹽，磷酸鹽；

(2)將金屬鹽前驅物加入熔融態鹽中反應；其中，金屬鹽的金屬元素種類包括但不限于：Al，Ca，Ti，V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，Nb，Mo，Ru，Rh，In，Sn，Cs，W；金屬鹽種類包括但不限于：硝酸鹽，氯化鹽，硫酸鹽，磷酸鹽，鈦酸鹽，鎢酸鹽，釩酸鹽，鈮酸鹽，磷酸氫鹽，醋酸鹽，鉬酸鹽；反應時間在10秒～2小時；

(3)將反應產物移出馬弗爐后冷卻至室溫，并用去離子水清洗抽濾；

(4)將清洗后的樣品進行干燥處理，得到離子插層型二維材料粉末。

制得的離子插層型的二維材料的結構如圖1所示，均是以[MOx]多面體或[M(OH)x]多面體為單元排列組合成板層結構，陽離子、陰離子或水分子插層在層間；層間的陽離子種類包括但不限于：Li，Na，K，Ca，Ag，Ba，Sn，Mg，Al，Co，Ni，Cu，Cs；層間的陰離子種類包括但不限于：硝酸根，醋酸根，氯離子，磷酸根，磷酸氫根，氫氧根，碳酸根，氟離子，硫酸根。

以下結合具體實施例來闡述本發明提供的離子插層型二維材料的制備方法。

實施例1：

(1)將5g NaNO₃置于坩堝中，并將坩堝置于馬弗爐中，在350℃下加熱十分鐘，至NaNO₃成為熔融態；

(2)將0.2g MnSO₄粉末快速加入到上述熔融態的NaNO₃中，反應10秒；

(3)將反應后的產物自然降至室溫，用去離子水清洗抽濾，以去除其中的鹽；

(4)將清洗后的樣品在80℃下干燥，獲得二維Na_0.55Mn₂O₄·1.5H₂O納米片。

實施例2：

(1)將5g KNO₃置于坩堝中，并將坩堝置于馬弗爐中，在380℃下加熱十分鐘，至KNO₃成為熔融態；

(2)將0.2g MnSO₄粉末快速加入到上述熔融態的KNO₃中，反應一分鐘；

(3)將反應后的產物自然降至室溫，用去離子水清洗抽濾，以去除其中的鹽；

(4)將清洗后的樣品在80℃下干燥，獲得二維K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片。

實施例2所制備的二維陽離子插層型的金屬氧化物材料K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片的SEM圖片如圖2所示，從該圖可以看出所制備的二維材料形貌均勻，無納米顆粒等其他形貌。

如圖3所示，是實施例2所制備的二維陽離子插層型的金屬氧化物材料K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片的TEM圖片，從該圖可以看出所制得的K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片由于應力的原因有許多的褶皺，非常通透，表明其超薄的特性。

如圖4所示，是實施例2所制備的二維陽離子插層型的金屬氧化物材料K_0.27MnO₂·0.54H₂O納米片的XRD圖片；由標準卡片號52-0556可知，其晶型屬于六角晶系，其中a＝b＝0.2849nm，c＝2.1536nm，α＝β＝90°，γ＝120°。

實施例3：

(1)將5g LiNO3置于坩堝中，并將坩堝置于馬弗爐中，在420℃溫度下反應十分鐘，至LiNO3成為熔融態；

(2)將0.2g H40N10O41W12·xH2O粉末快速加入到上述熔融態的LiNO3中，反應兩分鐘；

(3)將反應后的產物自然降至室溫，用去離子水清洗抽濾，以去除其中的鹽；

(4)將清洗后的樣品在80℃下干燥，獲得二維Li₂WO₄納米片。

實施例4：

(1)將5g NaNO₃置于坩堝中，并將坩堝置于馬弗爐中，在350℃溫度下反應十分鐘，至NaNO₃成為熔融態；

(2)將0.2g H₄₀N₁₀O₄₁W₁₂·xH₂O粉末，將其快速加入到上述熔融態的NaNO₃中，反應30秒；

(3)將反應后的產物自然降至室溫，用去離子水清洗抽濾，以去除其中的鹽；

(4)將清洗后的樣品在80℃下干燥，獲得二維Na₂W₄O₁₃納米片。

實施例5：

(1)將5g KNO₃置于坩堝中，并將坩堝置于馬弗爐中，在380℃溫度下反應十分鐘，至KNO₃成為熔融態；

(2)將0.2g ZnCl₂粉末快速加入到上述熔融態的KNO₃中，反應40秒；

3)將反應后的產物自然降至室溫，用去離子水清洗抽濾，以去除其中的鹽；

(4)將清洗后的樣品在80℃下干燥，獲得二維Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片。

實施例5所制得的二維陰離子插層型的金屬氫氧化物材料Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片的SEM圖片如圖5所示，從該圖可以看出所得二維材料形貌均勻；

如圖6所示是實施例5所制得的二維陰離子插層型的金屬氫氧化物材料Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片的TEM圖片；從該圖可以看出所制得的Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片由于應力的原因有許多的褶皺，且非常通透，表明其超薄的特性；

如圖7所示是實施例5所制得的二維陰離子插層型的金屬氫氧化物材料Zn₅(OH)₈(NO₃)₂·2H₂O納米片的XRD圖片；由標準卡片號24-1460可知，其晶型屬于單斜晶系，其中a＝1.948nm，b＝0.6238nm，c＝0.5517nm，α＝90°，β＝90.3°，γ＝90°。

實施例6：

(1)將5g KNO₃置于坩堝中，并將坩堝置于馬弗爐中，在380℃溫度下反應十分鐘，至KNO₃成為熔融態；

(2)將0.2g Cu(NO₃)₂·3H₂O粉末快速加入到上述熔融態的KNO₃中，反應100秒；

3)將反應后的產物自然降至室溫，用去離子水清洗抽濾，以去除其中的鹽；

(4)將清洗后的樣品在80℃下干燥，獲得二維Cu₂(OH)₃NO₃納米片。

實施例提供的上述離子插層型二維材料的制備方法，反應時間短，且不需要后期去除掉有機雜質，實現了具有二維形貌的陽離子插層型的金屬氧化物以及陰離子插層型的金屬氫氧化物的快速高效合成。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。