一种二维材料层间距调控剂及调控二维材料层间距的方法

摘要

本发明涉及一种二维材料层间距调控剂及调控二维材料层间距的方法，方法包括将待调控的二维材料置于化学调控剂中进行化学反应，所述化学调控剂包括过硫酸盐、浓硫酸和双氧水，所述化学调控剂中1 g过硫酸盐对应4~8 mL的浓硫酸，浓硫酸和双氧水的体积比为1:1~10:1。本发明通过调控剂在二维材料对应体材料的层间化学反应产生的气体压力抵消层间范德华力来实现层间距的增大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维材料层间距调控剂及调控二维材料层间距的方法，属于纳米功能材料技术领域。

背景技术

2004年通过剥离天然石墨首次制备出的单层石墨烯片，颠覆了人们对单原子层材料由于分子振动而在常温常压下无法稳定存在的认知。石墨烯凭借其优异的电学、光学、力学等性质，在二次电池、电容器、传感器、复合材料、污染治理等诸多领域展现出了巨大的应用价值。在此之后，氮化硼、二硫化钼、二硒化钨、黑磷等一系列与石墨烯类似的二维材料被发现并制备出来，均展示了独特的理化性质。例如，黑磷所具备的直接光学带隙、二硫化钼等过渡金属硫族化物的带隙与层数相关特性，与石墨烯材料形成了重要互补，进一步拓宽了二维材料的应用范围和价值。当前，二维材料的制备及其功能应用已成为材料学科重要的发展方向。

二维材料层间距的大小对其理化性质有重要影响，也直接决定了很多功能应用的性能（Nature, 2017, 550: 380-383; Nature Energy, 2020, 5: 160-168；AdvancedEnergy Materials, 2016,6: 1600116）。例如，采用石墨烯作为电极的石墨烯超级电容器中，石墨烯层间距与电解液离子直径之间的适配性直接关系着器件工作电压、容量密度等参数；通过调控石墨烯薄膜的层间距，可以实现对含有不同直径离子水质的净化提纯；适当增大二硫化钼的层间距，也能显著增强其析氢反应的催化活性。因此，实现石墨烯等二维材料层间距的精准调控，对其功能应用研究以及产业化推广均具有重要意义。

发明内容

本发明为了实现二维材料层间距的精准调控，提供了一种二维材料层间距调控剂及调控二维材料层间距的方法。本发明利用化学调控剂实现对二维材料层间距的调控。

本发明所采取的技术方案为：一种调控二维材料层间距的方法，包括将待调控材料置于化学调控剂中进行化学反应，所述化学调控剂包括过硫酸盐、浓硫酸和双氧水，所述化学调控剂中1 g过硫酸盐对应4~8 mL的浓硫酸，浓硫酸和双氧水的体积比为1:1~10:1。

进一步的，所述过硫酸盐包括过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的一种或多种。

进一步的，所述浓硫酸浓度大于等于70%，所述双氧水的浓度大于等于30%。

进一步的，所述待调控材料与所述化学调控剂在25-60°C环境中静置反应的时间为1 min~12 h。

进一步的，所述待调控材料为可剥离出二维材料的原料，所述二维材料为石墨烯、二硫化钼或氮化硼。

进一步的，所述待调控材料为石墨，所述化学调控剂用于调控石墨烯之间的层间距。

进一步的，待调控至设定间距后需终止调控反应，通过将所述化学调控剂从所述被调控材料中移除来进行。

进一步的，层间距调控范围可以是3~7 Å，调控的精度最高可达0.01 Å。

进一步的，所述待调控的二维材料石墨烯、二硫化钼或氮化硼的原料为对应的三维体材料，如进行石墨烯层间距调控所用的初始材料即为普通天然石墨。

本发明还涉及一种二维材料层间距调控剂，包括过硫酸盐、浓硫酸和双氧水，所述化学调控剂中1 g过硫酸盐对应4~8 mL的浓硫酸，浓硫酸和双氧水的体积比为1:1~10:1。

本发明所产生的有益效果包括：本发明中调控二维材料层间距的方法是通过调控剂在二维材料对应体材料的层间化学反应产生的气体压力抵消层间范德华力来实现层间距的增大，并通过改变调控剂的添加量或改变反应的时间来调控层间距。

本发明提供的一种调控石墨烯等二维材料层间距的方法，可以实现对石墨烯、二硫化钼、氮化硼等多种二维材料层间距进行连续、精准、高效地调控。针对二维材料不同的应用领域，进行层间距定制化调控，从而更好地发挥二维材料本征的性能、获得更好的应用功能，在储能电池、海水淡化、防腐涂料等领域均具有重要应用价值。

附图说明

图1（a）为实施例1中天然石墨的初始高度；

图1（b）~图1（d）分别为实施例1-3中调控后的石墨高度；

图2（a）为石墨的初始微观形貌；

图2（b）~图2（d）分别为实施例1~3调控后的石墨微观形貌；

图3（a）为天然石墨的X射线衍射谱；

图3（b）~图3（d）为调控后的石墨X射线衍射谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

实施例1

选用100目的天然石墨进行层间距的调控。石墨初始的微观形貌如图2（a），呈现明显的层状结构，X射线衍射谱如图3（a），（002）峰位在26.9°。称量0.5 g的石墨放入烧杯，再依次添加1.5 g的过硫酸钾、10 mL的浓硫酸和1 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在45°C环境中静置。初始高度如图1（a），约10 mL。1小时后，烧杯中的石墨膨胀至图1（b）所示高度，约为30 mL。将烧杯中石墨用蒸馏水滤洗再干燥后，其微观形貌如图2（b）所示，石墨中的片层结构已明显离散。X射线衍射谱如图3（b）所示，其（002）峰位在25.7°，通过布拉格方程计算得到其层间距为3.47 Å。相较于本征石墨层间距3.35 Å，其层间距增大了0.12 Å。

实施例2

选用200目的天然石墨进行层间距的调控。称量1 g的石墨放入烧杯，再依次添加2g的过硫酸钠、12 mL的浓硫酸和2 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在60°C环境中静置。1.5小时后，烧杯中的石墨膨胀至图1（c）所示高度，约为50 mL。将烧杯中石墨用蒸馏水滤洗再干燥后，其微观形貌如图2（c）所示，石墨中的片层结构已明显离散。X射线衍射谱如图3（c）所示，其（002）峰位在24.6°，通过布拉格方程计算得到其层间距为3.63 Å。相较于本征石墨层间距3.35 Å，其层间距增大了0.28 Å。

实施例3

选用50目的天然石墨进行层间距的调控。称量0.5 g的石墨放入烧杯，再依次添加3 g的过硫酸铵、12 mL的浓硫酸和1.5 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在25℃环境中静置。3小时后，烧杯中的石墨膨胀至图1（d）所示高度，约为70 mL。将烧杯中石墨用蒸馏水滤洗再干燥后，其微观形貌如图2（d）所示，呈现典型的膨胀石墨形状。X射线衍射谱如图3（d）所示，其（002）峰位在22.3°，通过布拉格方程计算得到其层间距为3.98 Å。相较于本征石墨层间距3.35 Å，其层间距增大了0.63 Å。

实施例4

选用80目的天然石墨进行层间距的调控。称量1 g的石墨放入烧杯，再依次添加2.5 g的过硫酸铵、15 mL的浓硫酸和2 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在25°C环境中静置。5小时后，烧杯中的石墨膨胀高度约为130 mL。将烧杯中石墨用蒸馏水滤洗再干燥，X射线衍射谱显示其（002）峰位在14.6°，通过布拉格方程计算得到其层间距为6.09 Å。相较于本征石墨层间距3.35 Å，其层间距增大了2.74 Å。

实施例5

选用80目的天然石墨进行层间距的调控。称量8 g的石墨放入烧杯，再依次添加0.5 g的过硫酸铵、2 mL的浓硫酸和0.5 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在25°C环境中静置。5小时后，烧杯中的石墨膨胀高度约为50 mL。向烧杯中加入大量蒸馏水再过滤干燥，X射线衍射谱显示其（002）峰位在25.2°，通过布拉格方程计算得到其层间距为3.55 Å。相较于本征石墨层间距3.35 Å，其层间距增大了0.2 Å。

实施例6

选用80目的天然石墨进行层间距的调控。称量5 g的石墨放入烧杯，再依次添加0.5 g的过硫酸铵、4 mL的浓硫酸和0.5 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在25°C环境中静置。2小时后，烧杯中的石墨膨胀高度约为60 mL。向烧杯中加入大量蒸馏水再过滤干燥，X射线衍射谱显示其（002）峰位在25.6°，通过布拉格方程计算得到其层间距为3.48 Å。相较于本征石墨层间距3.35 Å，其层间距增大了0.13 Å。

实施例7

选用80目的二硫化钼进行层间距的调控。称量1 g的二硫化钼粉末放入烧杯，再依次添加3 g的过硫酸钠、12 mL的浓硫酸和2 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在30°C环境中静置。2小时后，烧杯中的二硫化钼膨胀至45 mL。将烧杯中二硫化钼用蒸馏水滤洗再干燥，X射线衍射谱显示其（002）峰位在13.2°，通过布拉格方程计算得到其层间距为6.72 Å。

实施例8

选用50目的二硫化钼进行层间距的调控。称量0.5 g的二硫化钼粉末放入烧杯，再依次添加2.5 g的过硫酸氨、15 mL的浓硫酸和3 mL的双氧水，适量搅拌后将烧杯在25°C环境中静置。3小时后，烧杯中的二硫化钼膨胀至35 mL。将烧杯中二硫化钼用蒸馏水滤洗再干燥，X射线衍射谱显示其（002）峰位在12.9°，通过布拉格方程计算得到其层间距为6.88 Å。

图1（a）-图1（d）中层间距越大直观表现为在烧杯中的体积也越大，采用本方法可得到不同层间距石墨的照片。图2（a）-图2（d）表明层间距越小其形貌越接近天然石墨，层间距越大其形貌越接近膨胀石墨。图3（a）-图3（d）表明随着层间距越大，其（002）峰位从26.9°转移至22.3°。根据布拉格方程2d sin

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。