[发明专利]一种二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于过渡金属硫化物-碳材料技术领域，具体涉及一种二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法。

技术背景

石墨烯纳米带是一种准一维碳基纳米材料，它秉承了碳纳米材料优异的物理化学性能，如较高的导电性、优异的力学性能、高的长径比、特殊的边缘效应和良好的化学稳定性等。这些特殊性质使其在能量转换与储存、场效应晶体管、电子传感器、高分子纳米复合材料等领域都具有极为广阔的应用前景，成为碳纳米材料领域中的研究热点。

二硫化钼是一类典型的过渡金属硫族化合物，它属于六方晶系，层内是很强的Mo-S共价键，层间是较弱的范德华力，单层厚度约为0.65nm。单层的二硫化钼纳米片层可以用胶带剥离或者锂离子插层的方法得到。二硫化钼存在两种构型，2H型和3R型。六边形的2H构型在轴线方向上每个晶胞中有两层，而菱形的3R构型在每个晶胞中有三层。3R构型在受热过程中会转变为更稳定的2H构型。研究表明，二硫化钼暴露的活性边缘具有析氢催化活性，因此在电化学催化领域具有广泛应用。

但是，纯二硫化钼呈绣球状，并且其优先生长惰性的内层结构，而非活性片层边缘，大量的团聚体也进一步遏制了活性边缘的暴露，再加上其半导体材料较差的导电性，二硫化钼优异的性能无法得到充分利用。因此，将二硫化钼与其它高导电性的基底复合具有重要意义。本发明通过简单的工艺设计，制备得到一种新型的二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料。该复合材料具有如下优势：石墨烯纳米带独特的边缘效应可以为二硫化钼纳米片的生长提供更多的活性位点，二硫化钼纳米片活性边缘能够更加充分地暴露；石墨烯纳米带优良的导电性能有利于电子的传输，可提高复合材料整体的导电性；石墨烯纳米带剪开的薄片层结构有利于电化学过程中电解质离子的迁移，从而减小其与溶液的接触内阻。而二硫化钼纳米片本身具备优异的析氢催化活性，故将两者进行有效的复合，可以起到取长补短的协同作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、电化学性能优异的二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法。

本发明所提供的二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料，由具有特殊带状边缘的石墨烯纳米带，以及硫代钼酸铵通过一步溶剂热法在所述石墨烯纳米带骨架上原位生长的二硫化钼纳米片组成；其制备原料组成包括：碳纳米管（单壁或多壁）、高锰酸钾、浓硫酸、磷酸、硫代钼酸铵，以及水合肼。

本发明所提供的二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料的制备方法，包括：通过溶液氧化法制备石墨烯纳米带；通过溶剂热法在石墨烯纳米带上原位生长二硫化钼纳米片；具体步骤如下：

（1）将碳纳米管分散于95%-98%的浓硫酸中，待分散均匀后再加入一定量的85%的磷酸，在此过程中，不断搅拌得到均一分散液；

（2）在上述分散液中加入一定量的高锰酸钾（优选分批加入高锰酸钾），不断搅拌；

（3）将反应体系缓慢升温至一定温度，待温度稳定后，保温一段时间，并不断搅拌；

（4）将所得的混合溶液自然冷却至室温，然后倒入含过氧化氢的冰水中，隔夜放置，使其自然沉降；

（5）将得到的沉淀物质用盐酸水溶液洗多次，再用乙醇/乙醚的混合溶液洗多次；

（6）离心干燥得到固体氧化石墨烯纳米带；

（7）将氧化石墨烯纳米带分散于有机溶剂中，超声得到一定浓度的氧化石墨烯纳米带稳定分散液；

（8）将硫代钼酸铵溶于氧化石墨烯纳米带分散液中，超声使其分散均匀，得到硫代钼酸铵/氧化石墨烯纳米带分散液；

（9）将一定量的水合肼，滴入硫代钼酸铵/氧化石墨烯纳米带分散液中，超声分散均匀；

（10）将所制备好的含有氧化石墨烯纳米带、硫代钼酸铵和水合肼的分散液放入水热釜中，溶剂热反应一段时间，即得到二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料；

（11）将制备得到的二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料的黑色沉淀用去离子水和乙醇反复洗多次，然后干燥备用。

本发明中，所述的氧化石墨烯纳米带是由溶液氧化法径向剪开碳纳米管制备得到，且此方法参考专利US2010/0105834Al。

本发明中，所述的二硫化钼纳米片是由溶剂热法生长而成，同时，水合肼使氧化石墨烯纳米带还原成石墨烯纳米带。

本发明中，所述的二硫化钼纳米片/石墨烯纳米带复合材料的制备方法，其中溶剂热法使用的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺及N-甲基吡咯烷酮，优选N,N-二甲基甲酰胺。