[发明专利]一种二维自支持过渡金属超薄片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及过渡金属超薄片的制备方法。

背景技术

二维纳米材料例如石墨烯等因其独特的物理、化学性能和广泛的应用前景倍受人们的关注。二维超薄片状的金属硫化物具有高的能量/电子储存比容；H.Welle等发现由纳米单元组装成的超薄片，不仅可以保持零维纳米单元的量子特性，而且由于在二维空间的伸展使超薄片层材料兼具优良的力学性能和电子传输能力。目前，二维薄层材料制备方法单一，主要是以平整固相模板为基底通过物理、化学沉积或者晶体生长法制备，欲获得自支持的二维超薄片层材料需要经过繁琐的去模板过程，从而制约了二维薄片材料的应用。

纳米尺寸的过渡金属（铁、钴、镍）材料有着良好的化学和物理性能，在催化、电子、磁学等领域有着很好的应用前景。然而，由于过渡金属（铁、钴、镍）自身结构特点和易氧化的特性，目前已报道的过渡金属（铁、钴、镍）的纳米材料多为有表面活性剂保护的纳米粒子，其中纳米片多为硬模板制备，要得到单独可自支撑的纳米薄片需脱去模板，方法工艺繁琐，而以界面为导向制备的二维自支持过渡金属（铁、钴、镍）超薄片仍未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有二维自支持过渡金属超薄片制备方法中存在工艺繁琐的问题，从而提供了一种二维自支持过渡金属超薄片的制备方法。

本发明中一种二维自支持过渡金属超薄片的制备方法是按以下步骤实现的：

一、将过渡金属无机盐与水混合配制成摩尔浓度为0.001~0.1mol/L的无机盐水溶液，将有机胺与醇混合配制成浓度为0.0025~0.25mol/L的有机胺醇溶液，将无机盐水溶液和有机胺醇溶液混合，使过渡金属无机盐与有机胺的摩尔比为1：1.5~8，在25℃、搅拌速度为100~1000r/min的条件下搅拌0.5~10min，得到含有金属离子的有机胺配合物的混浊液，向混浊液中加入非极性有机溶剂，在搅拌速度为300~800r/min条件下搅拌0.5~10min，静置5~15min后，得到的金属离子的有机胺配合物非极性有机溶液，将有机相转移至密闭的回流装置中；

二、在惰性气体保护下，在15~99℃、搅拌速度为300~800r/min条件下搅拌回流15min，以20~100mL/h的滴加速度向回流后的反应体系中加入浓度为0.001~0.1mol/L硼氢化钠冰水溶液，使加入的硼氢化钠与步骤一中加入的过渡金属无机盐的摩尔比为5~15：1，滴加后继续反应0.5~2h，将反应产物冷却至25℃，将反应产物进行分离得到样品，将样品洗涤后置于50℃~80℃真空烘箱中真空干燥0.5~2h得到黑色粉末；

三、将步骤二所得黑色粉末在惰性气体保护条件下在管式炉中焙烧处理，即得到二维自支持过渡金属超薄片；

其中步骤一中的过渡金属无机盐为无机铁盐、无机钴盐或无机镍盐；所述无机铁盐为硝酸铁、硝酸亚铁、氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁和硫酸亚铁的一种或几种的混合物；所述无机钴盐为硫酸钴、硝酸钴、氯化钴和醋酸钴的一种或几种的混合物；所述无机镍盐为硝酸镍、硫酸镍、醋酸镍和氯化镍中的一种或几种的混合物；

步骤一中的有机胺为十二胺、十四胺、十六胺和十八胺中的一种或几种的混合物；

步骤一中醇为甲醇、乙醇和丙醇中的一种或其中几种的混合物；

步骤一中的非极性有机溶剂为甲苯、正丁烷、正戊烷、正己烷、环己烷、四氯化碳和石油醚中的一种或几种的混合物；

步骤二和三中的惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种或几种气体的混合气体；

步骤二中的硼氢化钠冰水溶液为温度为0℃的硼氢化钠水溶液；

步骤二中的分离是磁性分离、离心分离和抽滤分离方法中的一种或几种结合使用；

步骤三中焙烧条件为升温速率1~10℃/min，焙烧温度200~600℃，惰性气氛流量20~1500mL/min，焙烧时间5min~10h。

本发明的优点：一、本发明利用水溶性的强还原剂将含有过渡金属（铁、钴、镍）离子的有机胺配合物还原成金属纳米粒子，并在界面导向作用下实现纳米粒子组装，从而实现了二维自支持过渡金属（铁、钴、镍）超薄片的制备；二、本发明突破了传统液-液界面反应的观念，在反应过程中通过加热、搅拌、通入惰性气体等条件，加速界面传质速度和反应速度，使得大量纳米粒子在界面张力作用下挤压成自支持的片层结构，不需要使用硬模板，因此后续处理无需去模板，工艺相对简单，成本低；三、本发明在制备二维金属薄片方面，合成方法新颖，存在一定普适性；所制备的二维自支持过渡金属（铁、钴、镍）超薄片，在磁记录材料、吸波材料、氧还原和催化等方面存在着广阔的应用前景。