纳米尺寸二维材料的溶剂热合成

摘要

本发明涉及纳米尺寸二维材料的溶剂热合成。一种形成二维纳米材料的方法，其包括以下步骤：提供块状二维材料；提供碘化锂；在溶剂中悬浮碘化锂和块状二维材料以形成溶液；引发溶剂热反应以形成锂化的块状二维材料。可以在溶剂热反应之后剥离所得的锂化的块状二维材料以形成二维层状材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于形成纳米尺寸的二维材料的方法和通过该方 法生产的材料。

背景技术

在过去十年中二维(2D)材料已经引起了很大的关注。虽然石墨 烯(graphene)是迄今为止最深入研究的2D材料，因为包括如催化 剂、储能材料、电极材料和电子设备中的许多潜在的应用，相当大的 兴趣集中在过渡金属二硫属化物，尤其是二硫化钼。然而，现有技术 的最大挑战之一是如何利用安全和环保的方法大量有效地制备二维材 料。

本领域中已知利用正丁基锂(n-Bu-Li)的化学锂嵌入可剥离层状 化合物并产生二维纳米片材。然而，使用这种材料需要耗费时间的工 序。此外，n-Bu-Li是危险化学品，其对环境条件非常敏感，并且是 自燃的。

因此，在本领域中需要改进的形成二维材料，如纳米片材或纳米 尺寸材料的方法(在该方法中不利用自燃材料)。在本领域中进一步 需要不耗费大量时间且可以以对环境安全的方式生产大量的材料的方 法。

发明内容

在一个方面，公开了一种形成二维纳米材料的方法，其包括以下步 骤：提供块状(bulk)二维材料；提供碘化锂；在溶剂中悬浮碘化锂 和块状二维材料以形成溶液；和引发溶剂热反应以形成锂化的块状二 维材料。

在另一个方面，公开了一种形成二维纳米材料的方法，其包括以下 步骤：提供块状二维材料；提供碘化锂；在溶剂中悬浮碘化锂和块状 二维材料以形成溶液；引发溶剂热反应以形成锂化的块状二维材料； 和在形成二维层状材料的溶剂热反应之后剥离锂化的块状二维材料。

在另一个方面，公开了一种形成二维纳米材料的方法，其包括以下 步骤：提供块状二维材料；提供碘化锂；在溶剂中悬浮碘化锂和块状 二维材料以形成溶液；引发溶剂热反应，并在150至250℃的温度下 反应以形成锂化的块状二维材料；在形成二维层状材料的溶剂热反应 之后剥离锂化的块状二维材料。

在本发明中，“块状”是指比纳米颗粒尺寸大的意思。

附图说明

图1是作为反应时间函数的碘浓度的曲线图；

图2是作为反应温度函数的碘浓度的曲线图；

图3A是原始的MoS₂的TEM图像；

图3B是通过如说明书中描述的方法生产的、剥离后的MoS₂的 TEM图像；

图4是剥离后的MoS₂和剥离后的原始的MoS₂的拉曼光谱。

图5是块状MoS₂和剥离后的MoS₂的XRD图案。

具体实施方式

二维(2D)材料(如包括二硫化钼(MoS₂)的过渡金属二硫属化 物)在许多应用(如催化剂、储能材料、电极材料和电子设备中)都 可以使用。用于形成这样的材料的工艺通常需要使用需要复杂的反应 机理且需要长的反应时间的挥发性材料。现有技术中使用的用于形成 二维(2D)材料的一种这样的材料包括n-Bu-Li，其对环境条件非常 敏感并且是自燃的。

碘化锂(LiI)在空气中是非常稳定的并且不是自燃的。然而，使 用LiI的锂嵌入反应太慢，以至于在室温下不能检测。为了加速LiI 与2D块状材料(如MoS₂)之间的反应，可以利用高温溶剂热反应。 溶剂热反应可以是微波辅助溶剂热反应。该反应可以描述如下：

2LiI+MoS₂→2LiMoS₂+I₂

该过程可以通过测量I₂在溶剂如己烷中的浓度来监测。

在一个方面，公开了一种形成二维纳米材料的方法，其包括以下步 骤：提供块状二维材料；提供碘化锂；在溶剂中悬浮碘化锂和块状二 维材料以形成溶液；和引发溶剂热反应以形成锂化的块状二维材料。

块状2D材料可以包括过渡金属二硫属化物，其包括二硫化钼 (MoS₂)。在该方法中可利用各种溶剂，包括己烷。

在一个方面，溶剂热反应可以是微波辅助方法，其中将溶液暴露于 微波能量源特定的时间段，以将该溶液的温度升至所需温度范围。在 一个方面，可以将溶液暴露于微波能量5至20分钟。可以将温度升至 150至250℃的温度。在一个方面，反应温度可以是大约200℃。可以 继溶剂热反应之后将锂化的块状二维材料冷却并过滤。

继锂化之后，该方法可以包括剥离锂化的块状二维材料。剥离步骤 可以包括在热水中浸渍锂化的块状二维材料，其中锂与水反应形成氢 氧化锂和氢气，形成2D纳米材料，例如2D纳米片材。该方法还可包 括离心该剥离的锂化的二维材料，以将该材料与水分离的步骤。

实施例

MoS₂纳米片材根据以下工序制备。将15ml无水己烷放入30ml的 石英管中。使0.1g的MoS₂和0.166g的LiI在己烷中悬浮。将溶液放 置在AntonPaar微波反应器中，并在如下表中所述的各种条件下对该 溶液进行溶剂热反应。

150℃ 175℃ 200℃ 225℃ 5分钟 测试1 测试2 测试3 测试4 10分钟 测试5 测试6 测试7 测试8 15分钟 测试9 测试10 测试11 测试12 20分钟 测试13 测试14 测试15 测试16

反应后，通过过滤回收锂化的MoS₂和残余的LiI的混合物。MoS₂和LiI之间的反应由通过紫外-可见光谱分析确定己烷中的I₂的浓度来 监测。将锂化的MoS₂浸渍在热水中以剥离锂化的MoS₂并除去LiI杂 质。通过离心分离回收剥离的MoS₂。

参照图1，其示出了详细说明在不同条件下的锂化反应的曲线图， 其示出了作为反应时间函数的I₂浓度。所述I₂浓度通过紫外-可见光 谱测定。如在图1中可以看出的，增加反应时间产生了较高的I₂浓度， 表明块状2D材料的较大的锂化。

参照图2，其示出了详细说明在不同条件下的锂化反应的曲线图， 其示出了作为反应温度函数的I₂浓度。所述I₂浓度通过紫外-可见光 谱测定。如在图2中可以看出的，175至225℃范围和大约200℃的反 应温度产生较高的I₂浓度，表明块状2D材料的较大的锂化。

如上所述，锂化的MoS₂于热水中被剥离。液体剥离机理包括含有 金属锂的锂化的MoS₂，其可以与水反应形成LiOH并产生H₂气体。 在测试中，观察到气泡。生成的H₂气体将层进一步推开。

参照图3A和B，其分别示出了原始材料和锂化且剥离的材料的 TEM图像。剥离后，获得了纳米尺寸的层状MoS₂片材。

面内E_2g和面外A_1g模式的拉曼频率可用作可靠和方便的特征来确 定原子级薄的MoS₂纳米片材的层数。如图5中所示，使用拉曼光谱 表征在0(块状)和剥离状态的所得到的单层和少数层的MoS₂纳米片 材。原始材料的光谱显示在约382cm^-1(E12g模式)和407cm^-1(A1g 模式)的两个峰。剥离样品中的两种模式分别移动到384cm^-1和 406cm^-1。两种模式之间的距离呈现良好定义的层数依赖性。MoS₂纳 米片材的平均厚度约为3层。

参照图5，其示出了块状和剥离的MoS₂的XRD图案。剥离的MoS₂的峰强度显著降低，表明剥离的MoS₂的粒度已经减小。

本发明并不限于上述说明性的实施例。所述实施例不是旨在限制本 发明的范围。其中的变化，元素的其他组合，以及其它用途对于本领 域技术人员来说是可以想到的。本发明的范围由权利要求的范围限定。