[发明专利]用金属离子可控制备硫化铟超薄二维纳米材料的方法及该材料的用途

说明书

技术领域

本发明涉及超薄二维半导体纳米材料的制备方法及氢能源领域，更具体地说是涉及到运用金属离子控制合成超薄的二维硫化铟纳米材料，此外还涉及了所制备二维硫化铟纳米材料在光电化学分解水产氢方面的应用。

背景技术

硫化铟(In₂S₃)有α、β、γ三种变体。作为一类重要的半导体材料，它的带隙能量约为2.0eV，其中价带边位于-0.8eV，导带边位于1.2eV。由于其带隙能量恰好位于可见光能量(1.6-3.0eV)范围内，因此是优良的光压、光催化剂材料。另一方面，随着石墨烯的发现，超薄的二维半导体纳米材料(如纳米片、纳米薄膜、纳米盘、纳米带等)已经被作为重要的一类量子结构材料(量子阱)。在量子阱中，电荷载流子可以沿平行于二维材料的平面自由地移动，但是在其垂直的一维方向上移动受到限制。目前，二维的量子阱材料在光电器件、锂离子电池、太阳能电池、光催化等领域具有广泛而优良的应用前景。

目前，已经有多种化学方法用来制备半导体二维纳米材料以及硫化铟纳米结构(例如CN102923761A、CN102849786A等)，主要有层状化合物剥离法，层状胶束软模板法，以及有机配体或表面活性剂诱导法等。但是上述所有制备方法都是利用有机分子(含表面活性剂)作为辅助剂对材料进行二维结构的控制。在制备的过程中，有机辅助剂存在成本较高、回收困难、重复利用性低等问题。已经被证明的是：金属离子对于纳米晶体的形貌是可以起到有效的控制的，但是主要集中在控制金属纳米粒子的形貌方面。例如，有文献报道过通过钨离子、钴离子、铁离子或者银离子实现制备立方块状铂纳米材料。此外，国外有文献利用加入金属铝离子控制制备立方块体状CuSe纳米晶体。但是，目前还没有通过金属离子诱导进行控制合成二维半导体纳米材料的例子。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个内容在于运用金属离子控制合成超薄的二维In₂S₃纳米晶体：在相同的条件下，反应中加入Ca²⁺，获得厚度为2纳米厚的In₂S₃纳米带；反应中加入Al³⁺则获得2纳米厚的In₂S₃纳米薄膜。然而，金属离子却没有进入到In₂S₃的晶格中。相反，在未加金属离子的情况下，我们得到的是无规则的In₂S₃纳米颗粒。为达到上述目的，根据本发明的制备方法包括如下步骤：

1)在室温下，将20-100毫克四水合硝酸铟、5毫升的辛胺、10毫升环己烷加入到不锈钢反应釜的聚四氟乙烯内衬里，搅拌10分钟；

2)再将5-80毫克硫代乙酰胺、1-50毫克硫粉和1-30毫克金属离子的盐加入到上述反应釜内衬里，搅拌5分钟；

3)将装有上述溶液的聚四氟内衬装入反应釜套内，拧紧釜盖，放入100-200度的电热鼓风干燥箱中，并保持加热1-5小时；

4)取出反应釜，自然冷却到室温状态；

5)打开反应釜盖，将反应釜中的悬浊液分装在多支10ml离心管内，离心分离，去掉上清液，保留底部固体。固体用无水乙醇与氯仿交叉洗涤多次、离心，所得固体在50度真空干燥箱中进行干燥5小时，得到黄色的固体粉末产品。

优选地，上述步骤1)中的四水合硝酸铟为50-80毫克，不锈钢反应釜内衬体积优选20-50毫升；上述步骤2)中硫代乙酰胺为15-25毫克，硫粉为3-10毫克；上述步骤3)中烘箱温度优选150-170度，加热时间优选3-4小时；上述步骤5)中洗涤次数优选3-5次。

所述金属离子的盐选自氯化钙和/或硝酸铝。

根据本发明的另一个方面，提供了超薄二维In₂S₃纳米晶体材料在光电化学分解水产氢方面的用途。

有益效果