一种二维材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维材料的制备方法，该方法将球磨工艺和液相超声剥离工艺相结合制备二维材料，同时采用离心分离和真空抽滤相结合的方法将二维材料和剥离溶剂进行分离。本发明专利技术方法制备的二维材料具有纯度高和产率高等特点，本发明专利技术方法所用的原料可重复使用。本发明专利技术方法对环境无污染，生产效率高，具有较好的经济效益。本发明专利技术方法制备的二维材料可用于光电探测、催化、能源存储、润滑、气体探测、超导等领域。

Method for preparing two-dimensional material

The invention discloses a preparation method of a two-dimensional material, the preparation of two-dimensional material milling process and liquid phase ultrasonic stripping technology combined with centrifugal separation and vacuum filtration method combining two-dimensional materials and stripping solvent separation. The two dimensional material prepared by the method has the characteristics of high purity and high yield. The method has the advantages of no pollution to the environment, high production efficiency and good economic benefit. The two dimensional material prepared by the method can be used in the fields of photoelectric detection, catalysis, energy storage, lubrication, gas detection, superconductivity, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料的
，尤其是指一种二维材料的制备方法。
技术介绍
二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，这就意味着二维材料在电子自由运动的平面内是非纳米尺度的，而在垂直于电子运动平面的方向上的厚度是几个原子或者几十个原子的尺度，或者说是纳米尺度的。由于二维材料具有优良的催化性能和光电性能，越来越受到广大研究者的关注。二维材料最早的报道始于石墨烯的发现，后来研究人员发现过渡金属二硫属化物，六方氮化硼以及黑鳞等也有类似于二维材料的层状结构。单层的过渡金属二硫属化合物是由两层硫属原子夹着一层过渡金属原子的“三明治”夹心结构，层与层之间靠范德瓦尔斯力结合在一起。关于二维材料的制备，有化学气相沉积法、外延生长法、剥离法等。其中，剥离法又分为机械剥离法、化学剥离法以及液相剥离法。其中化学气相沉积法和外延生长法，由于需要昂贵的仪器设备，和非常苛刻的反应环境，所以难以满足大规模工业生产的需求。机械剥离法，是指采用机械手段将块体的材料逐渐剥离成二维的片层材料，这种方法产率很低，无法满足工业化的需求。化学剥离法，虽然产量率较高，但是由于使用的强氧化剂，或者离子插层剂，导致剥离产出的片层含有很多难以去除的杂质，使得纳米片层的性能大大降低。(参照文献Chhowalla,M.et al.The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets.Nat.Chem.5,263–275,2013；)中国专利CN 104495935 A公开了一种二硫化钼纳米片层的剥离制备方法，通过在含有氧化剂的混合溶剂中搅拌或超声处理，原料二硫化钼被剥离并形成二硫化钼纳米片。这种方法的不足之处是采用氧化剂剥离后的硫化钼纳米片表面会带有氧化剂残留的官能团。这些官能团会导致硫化钼片层的催化性能和光电性能降低。在催化领域应用的二维材料，主要是靠材料边缘的原子，作为催化的活性位点。在这种情况下，我们希望材料的边缘越多越好，片层的活性位点越多越好。因此非常有必要开发一种能够实现高产率、高纯度的二维材料制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够实现高产率、高纯度的二维材料的制备方法，该方法对环境无污染，生产效率高，具有较好的经济效益。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种二维材料的制备方法，包括以下步骤：1)将原料粉末和锂盐混合，然后加入到液体介质中，混合均匀；将混合后的液体加入到球磨罐中进行球磨，球磨介质尺寸范围为1到1000μm，球料比的范围为1：20到1：5，球磨的速度范围为100rpm到500rpm，时间范围为0.5h到8h；这样处理的优点在于可以弱化原料粉末的层间结合力，可以将颗粒尺寸较大的粉末破粹到有利于剥离的尺寸范围，从而提高剥离的质量和产率。2)将步骤1)中的产物进行过筛，除去球磨介质；然后将剩余物进行高速离心分离，离心转速范围为1500rmp到6000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；结束后，去除上层液体，将离心沉淀物用酒精和去离子水反复洗涤，并将洗涤后的产物，在真空环境下干燥；这样处理的优点在于可以除去原料粉末中的杂质和不利于液相剥离的悬浮物，提高液相剥离的质量和产率。3)将步骤2)中的产物加入到剥离液体中，浓度范围为0.1g/L到20g/L，在搅拌环境中进行超声剥离，超声功率密度范围为100W/L到10000W/L，超声时间与超声间隔的比值控制在1：20到5：1之间；超声时，液体温度控制着5到10摄氏度，搅拌速度控制在0到1000rmp，超声剥离时间控制在0.5h到20h；这样处理的优点是可以将原料进行充分的剥离反应，而且使得剥离后的二维材料能够在液体中稳定存在，形成均匀稳定的分散体系。4)将步骤3)中的产物进行分离：首先，将产物进行离心分离，转速范围为200rmp到3000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；完成后，将上清液取出，然后对上清液进行离心分离，转速范围为1000rmp到18000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；完成后，将沉淀物进行收集，并且用去离子水洗涤，洗涤后再进行离心分离；重复三次后将上清液进行真空抽滤，滤膜的孔径范围为50纳米到500纳米；抽滤完成后，即可将滤膜上的二维材料进行搜集；此外，将抽滤所得的二维材料和离心分离所得产物进行称重，根据原料的重量和所产片层的重量，能够计算通过步骤1)至步骤4)制备二维材料的产率。在步骤1)中，所述原料粉末为过渡金属二硫属化合物MX2、天然鳞片石墨、六方氮化硼、金属碳化物或者氮化物，其中，所述过渡金属二硫属化合物MX2中的M指的是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Tc、Re、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt中的一种或两种组合，X指的是S、Se、Te、O中的一种或两种组合。在步骤1)中，所述锂盐为氯化锂、硫酸锂、氟化锂、溴化锂中的一种或几种组合。在步骤1)中，所述液体介质为乙醇、去离子水、异丙醇、N甲基吡咯烷酮中的一种或几种组合。在步骤1)中，所述球磨介质为氧化锆球或者玛瑙球。在步骤3)中，所述剥离溶剂指的是含有表面活性剂的水溶液，所述表面活性剂为二辛基琥珀酸磺酸钠(阿洛索-OT)、十二烷基苯磺酸钠、胆酸钠中的一种或几种组合，该表面活性剂的浓度范围为0.1g/L到50g/L；所述水溶液为去离子水和酒精或者异丙醇或者N甲基吡咯烷酮的混合物，二者的比例范围为1：99到50：50。在步骤4)中，所述滤膜为纤维素滤膜或氧化铝陶瓷滤膜。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本专利技术方法中首次将液相环境下的球磨工艺和超声剥离相结合，来提高二维材料纳米片的产率。2、本专利技术方法形成的二维材料纳米片，和现有技术相比，片层边缘没有氧化，也没有其他的有机官能团，制备的纳米片层活性很高，具有很好的催化性能。3、本专利技术方法具有较高的产率，采用的比例溶剂为无毒性的水系溶剂，具有环保，经济等特点。4、本专利技术方法和现有技术相比具有易于大规模生产，通过工艺的优化能够进一步降低生产成本的特点，所使用的剥离液体可以循环使用，提高生产工艺的综合经济效益。5、本专利技术方法和现有技术相比，二维材料纳米片层的产率有明显的提高，现有技术制备二维材料的产率约为10％，通过本专利技术方法可以将产率提升到65％。6、本专利技术方法制备的二维材料可用于光电探测、催化、能源存储、润滑、气体探测、超导等领域，具有较好的经济效益。附图说明图1为块状硫化钼粉体的扫描电镜照片。图2为硫化钼二维材料透射电镜照片。图3为硫化钼二维材料TEM选取电子衍射照片。图4a为硫化钼二维材料原子力显微镜照片。图4b为图4a对应的曲线图。图5为块状硒化铌粉体的扫描电镜照片。图6为硒化铌二维材料透射电镜照片。图7为硒化铌二维材料TEM选取电子衍射照片。图8a为硒化铌二维材料原子力显微镜照片。图8b为图8a对应的曲线图。具体实施方式下面结合多个具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1(硫化钼二维材料的制备)1)将800目过筛后的硫化钼粉末(粉末的形貌见图1所示)和氯化锂按照5：1的质量比混合，然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将原料粉末和锂盐混合，然后加入到液体介质中，混合均匀；将混合后的液体加入到球磨罐中进行球磨，球磨介质尺寸范围为1到1000μm，球料比的范围为1：20到1：5，球磨的速度范围为100rpm到500rpm，时间范围为0.5h到8h；2)将步骤1)中的产物进行过筛，除去球磨介质；然后将剩余物进行高速离心分离，离心转速范围为1500rmp到6000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；结束后，去除上层液体，将离心沉淀物用酒精和去离子水反复洗涤，并将洗涤后的产物，在真空环境下干燥；3)将步骤2)中的产物加入到剥离液体中，浓度范围为0.1g/L到20g/L，在搅拌环境中进行超声剥离，超声功率密度范围为100W/L到10000W/L，超声时间与超声间隔的比值控制在1：20到5：1之间；超声时，液体温度控制着5到10摄氏度，搅拌速度控制在0到1000rmp，超声剥离时间控制在0.5h到20h；4)将步骤3)中的产物进行分离：首先，将产物进行离心分离，转速范围为200rmp到3000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；完成后，将上清液取出，然后对上清液进行离心分离，转速范围为1000rmp到18000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；完成后，将沉淀物进行收集，并且用去离子水洗涤，洗涤后再进行离心分离；重复三次后将上清液进行真空抽滤，滤膜的孔径范围为50纳米到500纳米；抽滤完成后，即可将滤膜上的二维材料进行搜集；此外，将抽滤所得的二维材料和离心分离所得产物进行称重，根据原料的重量和所产片层的重量，能够计算通过步骤1)至步骤4)制备二维材料的产率。...

【技术特征摘要】
1.一种二维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将原料粉末和锂盐混合，然后加入到液体介质中，混合均匀；将混合后的液体加入到球磨罐中进行球磨，球磨介质尺寸范围为1到1000μm，球料比的范围为1：20到1：5，球磨的速度范围为100rpm到500rpm，时间范围为0.5h到8h；2)将步骤1)中的产物进行过筛，除去球磨介质；然后将剩余物进行高速离心分离，离心转速范围为1500rmp到6000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；结束后，去除上层液体，将离心沉淀物用酒精和去离子水反复洗涤，并将洗涤后的产物，在真空环境下干燥；3)将步骤2)中的产物加入到剥离液体中，浓度范围为0.1g/L到20g/L，在搅拌环境中进行超声剥离，超声功率密度范围为100W/L到10000W/L，超声时间与超声间隔的比值控制在1：20到5：1之间；超声时，液体温度控制着5到10摄氏度，搅拌速度控制在0到1000rmp，超声剥离时间控制在0.5h到20h；4)将步骤3)中的产物进行分离：首先，将产物进行离心分离，转速范围为200rmp到3000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；完成后，将上清液取出，然后对上清液进行离心分离，转速范围为1000rmp到18000rmp，离心时间范围为10分钟到120分钟；完成后，将沉淀物进行收集，并且用去离子水洗涤，洗涤后再进行离心分离；重复三次后将上清液进行真空抽滤，滤膜的孔径范围为50纳米到500纳米；抽滤完成后，即可将滤膜上的二维材料进行搜集；此外，将抽滤所得的二维材...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨国伟，王建兴，刘心悦，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44