一种低温条件下水热合成二硫化钼纳米片的方法

摘要

一种低温条件下水热合成二硫化钼纳米片的方法，属于二硫化钼薄层材料的技术领域。本发明要解决现有水热合成二硫化钼纳米片方法存在大量杂质、二硫化钼层间距较小等技术问题。本发明的方法：一、将钼酸铵粉末和硫脲粉末溶解于去离子水中，磁力搅拌；二、然后滴加氨水调节pH值至9～10，再转移到聚四氟乙烯内衬的反应器中，密封；三、然后置于不锈钢高压釜内，在145℃～185℃条件下反应20h～28h，冷却至室温，得到黑色粉末；四、然后分散于氨水中，离心；五、重复步骤四的操作至少3次；六、然后超声分散在无水乙醇中，再离心；七、重复步骤六的操作至少3次；八、预冻后真空干燥。本发明可作为锂离子电池高性能的负极材料。

说明书

技术领域

本发明属于二硫化钼薄层材料的技术领域；具体涉及一种低温条件下水热合成二硫化钼纳米片的方法。

背景技术

随着二维薄膜材料的广泛应用，越来越多的二维材料被人们所发现并利用到催化降解、锂离子电池等领域中。二硫化钼作为一种典型的二维材料，与石墨烯相比，并能够通过插入官能团调节其带隙宽度；另外二硫化钼层间距比石墨烯大，有利于锂离子电池中插层反应的进行。

现有的二硫化钼水热合成的方法，在低温条件下制备时，二硫化钼产率较低，伴随着大量三氧化钼杂质的产生，会导致最终材料中有效组分含量的下降；同时，现有的高温水热法所制备的二硫化钼的层间距较小(0.62nm)，不利于插层反应的进行。

发明内容

本发明要解决现有水热合成二硫化钼纳米片方法存在大量杂质、二硫化钼层间距较小等技术问题，而提供了一种低温条件下水热合成二硫化钼纳米片的方法。本发明的方法解决了二硫化钼在低温水热合成条件下，无法得到纯净相的问题。

为解决上述技术问题，本发明的低温条件下水热合成二硫化钼纳米片的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将纯度不小于99％(质量)的钼酸铵粉末和纯度不小于99％(质量)的硫脲粉末溶解于去离子水中，磁力搅拌直至形成均一稳定的黑色溶液；

步骤二、然后滴加氨水调节pH值至9～10，再转移到聚四氟乙烯内衬的反应器中，密封；

步骤三、然后置于不锈钢高压釜内，在145℃～185℃条件下反应20h～28h，冷却至室温，得到黑色粉末；

步骤四、将步骤三获得的黑色粉末分散于氨水中，离心；

步骤五、重复步骤四的操作至少3次；

步骤六、然后分散于无水乙醇，离心；

步骤七、重复步骤六的操作至少3次；

步骤八、然后预冻，之后真空干燥；得到二硫化钼纳米片。

进一步地限定，步骤一中将0.5mmol钼酸铵粉末和12～14mmol硫脲粉末溶解于去离子水中。

进一步地限定，步骤二中所述氨水的体积分数为20％～35％。

进一步地限定，步骤二中溶液体积为反应器容量的70％-80％。

进一步地限定，步骤四中所述氨水的体积分数为20％～35％。

进一步地限定，步骤四中以1000～3000r/min的转速进行离心。

进一步地限定，步骤六中以1000～3000r/min的转速进行离心。

进一步地限定，步骤八中在-90℃～-80℃温度下预冻8h～12h。

进一步地限定，步骤八中在真空度为6Pa～10Pa、温度为-90℃～-76℃的环境中干

燥20h～30h。

本发明通过低温水热合成方法制备二硫化钼，并采用氨水进行催化溶解，去除水热合成时的副产物三氧化钼杂质，从而在较低合成温度下获得一种纯度高、层间距大的二硫化钼纳米片材料，可作为锂离子电池高性能的负极材料。本发明同时兼顾较大层间距和材料纯度的问题，最终获得的纯净二硫化钼纳米片材料，其片层厚度小于10nm，层间距为0.69nm左右。

附图说明

图1是不同温度条件下水热合成的二硫化钼XRD图；

图2是在185℃条件下水热合成产物的SEM图；

图3是在165℃条件下水热合成产物的SEM图；

图4是在145℃条件水热合成产物的SEM图；

图5是165℃条件下水热合成产物经氨水淬火提纯处理后的SEM图；

图6是165℃条件下水热合成产物经氨水淬火提纯处理后获得的二硫化钼纳米片的透射电镜(TEM)图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的低温条件下水热合成二硫化钼纳米片的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将0.5mmol钼酸铵粉末(分析纯)和12mmol硫脲粉末(分析纯)溶解于去50mL离子水中，磁力搅拌直至形成均一稳定的黑色溶液(耗时5min～10min)；

步骤二、然后滴加体积分数为35％的氨水调节pH值至9～10，再转移到聚四氟乙烯内衬的反应器中，溶液体积为反应器容量的70％，密封；

步骤三、然后置于不锈钢高压釜内，在145℃、165℃或185℃条件下反应24h，冷却至室温，得到黑色粉末；

步骤四、将步骤三获得的黑色粉末分散于50ml体积分数为35％的氨水中，以2000r/min的转速离心；

步骤五、重复步骤四的操作3次，以便除去反应生成的可溶性离子，以及副反应生成的MoO₃杂质；

步骤六、然后分散于无水乙醇，离心；

步骤七、重复步骤六的操作3次；

步骤八、然后在-80℃温度下预冻12h，之后在真空度为8Pa、温度为-83℃的环境中干燥24h；得到二硫化钼纳米片。

本实施方式所制备的高纯度大间距二硫化钼纳米片材料在不同合成温度条件下的X射线衍射(XRD)图如图1所示。可以发现，随着合成温度的降低，二硫化钼(002)晶面的衍射峰向左偏移，由X射线衍射Bragg方程：2dsin(θ)＝nλ(其中d为晶面间距，θ为衍射角，n为衍射级数，λ为CuKα射线的波长＝1.54)可知，衍射角θ减小，二硫化钼(002)晶面的面间距d增大。同时，对29°附近的三氧化钼杂质的衍射峰的强度进行比较，发现材料中三氧化钼杂质的含量随着温度的降低而增多。

图2、图3和图4为未经氨水处理的、水热合成产物的扫描电镜(SEM)图，其中花瓣状结构为二硫化钼纳米片，棒状结构为三氧化钼杂质。可以发现，在185℃的合成条件下(图2)，合成产物中杂质含量很低；而当合成温度降低到165℃(图3)，合成产物中杂质含量明显增多；继续降低合成温度至145℃(图4)，杂质相尺寸进一步增大、数量进一步增多。这说明随着水热合成温度的降低杂质相的含量增大。

图5为165℃条件下水热合成产物经过氨水催化提纯处理后的形貌，与图3对比发现，材料中的杂质相(即棒状结构)均被除去，只剩下二硫化钼纳米片组成的花瓣。

图6为165℃条件下水热合成产物经氨水淬火提纯处理后获得的二硫化钼纳米片的透射电镜(TEM)图，可以发现其(002)面间距为0.69nm，高于标准PDF卡片中给出的0.62nm。此处二硫化钼薄层为7层，厚度为4.14nm。多个区域的TEM分析表明，二硫化钼的层数小于10层，所有层的厚度和小于10nm。

具体实施方式二：本实施方式的低温条件下水热合成二硫化钼纳米片的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将0.5mmol钼酸铵粉末(分析纯)和14mmol硫脲粉末(分析纯)溶解于去35mL离子水中，磁力搅拌直至形成均一稳定的黑色溶液(耗时5min～10min)；

步骤二、然后滴加体积分数为20％的氨水调节pH值至9～10，再转移到聚四氟乙烯内衬的反应器中，溶液体积为反应器容量的80％，密封；

步骤三、然后置于不锈钢高压釜内，在165℃条件下反应20h，冷却至室温，得到黑色粉末；

步骤四、将步骤三获得的黑色粉末分散于50ml体积分数为20％的氨水中，以3000r/min的转速离心；

步骤五、重复步骤四的操作3次，以便除去反应生成的可溶性离子，以及副反应生成的MoO₃杂质；

步骤六、然后分散于无水乙醇，离心；

步骤七、重复步骤六的操作至少3次；

步骤八、然后在-85℃温度下预冻8h，之后在真空度为6Pa、温度为-80℃的环境中干燥30h；得到二硫化钼纳米片。