超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，步骤如下：1）将离子液体分散于溶剂中，得到剥离溶液；所述离子液体的阳离子为咪唑类或季铵类阳离子，阴离子为卤素阴离子、硫酸氢根离子、醋酸根离子、氟酸根离子或硼酸根离子中的至少一种；2）将钒磷氧复合金属氧化物分散到步骤（1）剥离溶液中，超声、离心得到超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶。该方法利用离子液体剥离制备出分散性好，晶面裸露充分，小尺寸（8~15nm）的超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶，克服了传统二维钒磷氧材料液相剥离不充分，剥离手段复杂，分散性低，剥离后重聚等问题，得到的二维纳米片晶材料具备广泛的应用前景。

Preparation of ultra-thin 2D V-P-O composite metal oxide nanocrystals

【技术实现步骤摘要】
超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法
本专利技术涉及化学化工领域，具体涉及一种超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法。
技术介绍
二维纳米材料因为其独特的表面物理化学性质及量子尺寸效应，表现出超高的载流子迁移率、良好的热导率等优势，被广泛的报道和应用。钒磷氧复合金属氧化物材料具有独特的晶体结构，电磁性质和较高的氧化还原催化活性，在催化、电化学、能源化工等领域已得到高度重视。液相剥离是制备二维纳米材料最传统和简易的办法，主要使用二甲基亚砜、醇类、叔丁基锂等做剥离溶剂，其存在剥离不充分，易重聚，剥离剂危险不绿色，剥离手段复杂等问题。区别于石墨烯，氮化硼，黑磷，金属硫化物等层间为较弱的范德华作用力的材料，钒磷氧复合金属氧化物其特殊的结构，其主体层板结构主要由[VO6]八面体与[PO4]四面体连接而成，层间为较强氢键作用或静电作用力，在剥离制备的过程中需要进一步的调控剥离手段，在维持层板的物性结构的同时实现二维纳米材料剥离制备。
技术实现思路
本专利技术提出了一种超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，利用离子液体剥离制备二维纳米材料，能够克服传统溶剂剥离方法存在的剥离不充分、剥离易重聚、剥离剂污染不绿色和剥离手段复杂等问题。从分子结构出发实现对二维功能纳米材料的构筑与高效制备是研究的重点及难点，以层状VOPO4∙2H2O为例，其分子结构上下层板之间由水分子形成较强氢键作用维持其层板结构。我们提出引入功能离子液体破坏其层间较强的水合氢键作用实现二维纳米材料的剥离制备策略，并调变了离子液体的不同阴阳离子、链长、亲疏水等，探究不同离子液体对二维纳米片晶尺寸的调控作用。研究表明，离子液体能够实现钒磷氧复合金属氧化物的物理化学剥离，得到高分散，晶面裸露充分的超薄二维纳米片晶材料。实现本专利技术的技术方案是：一种超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，步骤如下：（1）将离子液体分散于溶剂中，得到剥离溶液；所述离子液体的阳离子为咪唑类或季铵类阳离子，阴离子为卤素阴离子、硫酸氢根离子、醋酸根离子、氟酸根离子或硼酸根离子中的至少一种；所述溶剂为二甲基亚砜、丙酮、石油醚、N-甲基吡咯烷酮、N-N-二甲基甲酰胺或二氯甲烷中的至少一种；（2）将钒磷氧复合金属氧化物分散到步骤（1）剥离溶液中，超声、离心得到超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶。所述步骤（1）中离子液体的阳离子为咪唑类或季铵类阳离子，阴离子为卤素阴离子、硫酸氢根离子、醋酸根离子、氟酸根离子或硼酸根离子中的至少一种。所述咪唑类阳离子为1-丁基-3-甲基咪唑([BMIM]+)、十四烷基-3-甲基咪唑([TEMIM]+)、癸基-3-甲基咪唑([DEMIM]+)、1-乙基-3-甲基咪唑([EMIM]+)、1-辛基-3-甲基咪唑([OMIM]+)；季铵类阳离子为四丁基胺([TBA]+)、十六烷基三甲基胺([CTA]+)、磺酸丁基三乙胺([TEBA]+)中的至少一种。具体地，所述离子液体含有丰富的氢键网络体系，能够形成独特的场效应，调变材料的结构，为[BMIM]Br、[EMIM]AC、[TEMIM]Br、[BMIM]Cl、[BMIM]BF4、[BMIM]PF6、[BMIM](CF3SO2)2N、[OMIM]Br、[BMIM]HSO4、[EMIM]Br、[TBA]Br、[CTA]Br和[TEBA]Cl中的至少一种。更优选地，离子液体为[EMIM]AC、、[BMIM]BF4、[OMIM]Br、[BMIM]Br中的至少一种。离子液体的粘度及密度大，直接用于二维材料的制备会出现分离困难，材料分散性差，原料浪费等问题，并不适合单独作为剥离剂。优选地，将离子液体分散在廉价常用的溶剂中制备成剥离溶液，既能保证离子液体良好的分散，又能维持离子液体独特的物性，实现高效的二维材料剥离制备的同时，又具有良好的经济适用性。所述步骤（1）中溶剂为二甲基亚砜、丙酮、石油醚、N-甲基吡咯烷酮、N-N-二甲基甲酰胺或二氯甲烷中的至少一种，优选地，溶剂为二甲基亚砜，二氯甲烷，N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。特别的，[EMIM]AC、[BMIM]BF4、[OMIM]Br分散在非极性二甲基亚砜中不会发生胶束聚集，离子液体分层析出等问题，并且不会破坏二维钒磷氧材料层板的结构及物种。离子液体的制备方法为现有技术，本领域技术人员可参照现有技术公开的方法进行制备或直接购买。复合金属氧化物的制备方法为现有技术，本领域技术人员可参照现有技术公开的方法进行制备，以VOPO4∙2H2O为例，可参照以下方法制备：称取4.8gV2O5于三颈烧瓶中，再加入26.6mL85%的浓磷酸，最后加入115.4mL的去离子水，冷却回流油浴110℃加热16h。冷却至室温后抽滤得到绿色粉末，先后用去离子水，酒精各清洗两遍，真空干燥箱110℃充分干燥48h，收集固体粉末密封保存。所述步骤（1）中离子液体与溶剂的质量比为（1~5）：50。所述步骤（2）中钒磷氧复合金属氧化物为二水合磷酸氧钒(VOPO4∙2H2O)、半水合磷酸氢氧钒(VOHPO4∙0.5H2O)、磷酸氧钒(VOPO4)、焦磷酸氧钒((VO)2P2O7)中的至少一种。所述钒磷氧复合金属氧化物与离子液体的质量比为（0.5~5）：10，混合的方式为：先将复合金属氧化物加入离心管内，再加入剥离溶液。所述步骤（2）中超声可采用水浴超声，尖端探针超声中的至少一种方法，超声功率为100~300W，超声时间1~4h，温度为室温；冷冻干燥处理方法为液氮降温，时间为24~48h。所述步骤（2）中离心分为低速离心和高速离心两个过程，低速离心转速为2000~5000r/min，离心时间30~60min，取上层清液再进行高速冷冻离心，高速离心转速为10000~15000r/min，温度设置15~20℃，离心时间为30~60min，倾倒清液，沉淀加入丙酮震荡分散，重复高速离心步骤1~2次。所述超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶分散性好，晶面裸露充分，晶格条纹清晰，能够得到平均尺寸在8~15nm的规整的二维纳米圆片结构。本专利技术的有益效果是：（1）利用离子液体剥离制备得到了高分散，晶面裸露充分的小尺寸单片层超薄二维纳米钒磷氧复合金属氧化物片晶。（2）进行离子液体功能化设计，调变了离子液体的阴阳离子、链长、亲疏水性等，探究不同离子液体对二维纳米片晶尺寸的调控作用。（3）实现了层间由较强氢键或静电作用力作用的复合金属氧化物的物理化学剥离，剥离得到的二维纳米材料不易发生重聚。（4）相比传统的溶剂液相剥离，本专利技术选取绿色廉价的离子液体作为剥离剂，剥离效果显著，成本低，剥离剂环保绿色。（5）相比传统的液相机械切割剥离方法，本专利技术操作简单，能耗少，效率高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，其特征在于步骤如下：/n（1）将离子液体分散于溶剂中，得到剥离溶液；所述离子液体的阳离子为咪唑类或季铵类阳离子，阴离子为卤素阴离子、硫酸氢根离子、醋酸根离子、氟酸根离子或硼酸根离子中的至少一种；所述溶剂为二甲基亚砜、丙酮、石油醚、N-甲基吡咯烷酮、N-N-二甲基甲酰胺或二氯甲烷中的至少一种；/n（2）将钒磷氧复合金属氧化物分散到步骤（1）剥离溶液中，超声、离心得到超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶。/n

【技术特征摘要】
1.一种超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）将离子液体分散于溶剂中，得到剥离溶液；所述离子液体的阳离子为咪唑类或季铵类阳离子，阴离子为卤素阴离子、硫酸氢根离子、醋酸根离子、氟酸根离子或硼酸根离子中的至少一种；所述溶剂为二甲基亚砜、丙酮、石油醚、N-甲基吡咯烷酮、N-N-二甲基甲酰胺或二氯甲烷中的至少一种；
（2）将钒磷氧复合金属氧化物分散到步骤（1）剥离溶液中，超声、离心得到超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶。


2.根据权利要求1所述的超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，其特征在于：所述咪唑类阳离子为1-丁基-3-甲基咪唑、十四烷基-3-甲基咪唑、癸基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑或1-辛基-3-甲基咪唑中的至少一种；所述季铵类阳离子为四丁基胺、十六烷基三甲基胺或磺酸丁基三乙胺中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中离子液体与溶剂的质量比为（1~5）：50。


4.根据权利要求1所述的超薄二维钒磷氧复合金属氧化物纳米片晶的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中钒磷氧复合金属氧化物为二...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞霞，黎康，张锁江，郑朝生，赵磊，马俊杰，周志茂，聂毅，张延强，
申请(专利权)人：郑州中科新兴产业技术研究院，辽宁盛泽精细化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41