[发明专利]一种单层或少层二硫化钼纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属钼技术领域，涉及二硫化钼，具体涉及一种单层或少层二硫化钼纳米材料的制备方法。

背景技术

由单层或少层二硫化钼构成的类石墨烯二硫化钼(Graphene-like MoS₂)是一种具有类似石墨烯结构和性能的新型二维(2D)层状化合物，近年来以其独特的物理、化学性质而成为新兴的研究热点。单层或少层二硫化钼是由六方晶系的单层或多层二硫化钼组成的具有“三明治夹心”层状结构的二维晶体材料，单层二硫化钼由三层原子层构成，中间一层为钼原子层，上下两层均为硫原子层，钼原子层被两层硫原子层所夹形成类“三明治”结构，钼原子与硫原子以共价键结合形成二维原子晶体；少层二硫化钼由若干单层二硫化钼组成，一般不超过五层，层间存在弱的范德华力，层间距约为0.65nm。

作为一类重要的二维层状纳米材料，单层或少层二硫化钼以其独特的“三明治夹心”层状结构在润滑剂、催化、能量存储、复合材料等众多领域应用广泛。相比于石墨烯的零能带隙，类石墨烯二硫化钼存在可调控的能带隙，在光电器件领域拥有更光明的前景；相比于硅材料的三维体相结构，类石墨烯二硫化钼具有纳米尺度的二维层状结构，可被用来制造半导体或规格更小、能效更高的电子芯片，将在下一代的纳米电子设备等领域得到广泛应用。

单层或少层二硫化钼在热、电、光、力学等方面的性质及其在光电子器件领域的潜在应用引起了科研人员的广泛关注。然而，一般的化学、物理法难以制备出具有层状结构的单层或少层二硫化钼，目前可以采用的方法主要有：微机械力剥离法、锂离子插层法、液相超声法等“自上而下”的剥离法，以及高温热分解、气相沉积、水热法等“自下而上”的合成法。

在“自上而下”的制备方法中，微机械力剥离法以其操作相对简便且剥离程度高是目前应用最为成熟的方法，它能得到单层二硫化钼且剥离产物具有较高的载流子迁移率，一般多用于制作场效应晶体管，但它具有制备规模小和可重复性较差缺点。

锂离子插层法是目前剥离效率最高的方法，它适用范围广，多用于二次电池和发光二极管，中国专利如申请号为201310187544.9、201310561235.3、201410059743.6、201410086208.X，利用正丁基锂等作为插层分子，通过搅拌、溶剂热等方法对层状二硫化钼进行插层，之后进行水解超声处理获得二硫化钼纳米片。然而，锂离子插层法插层处理时需要无氧无水环境，对工业生产环境要求苛刻，且去除锂离子极易导致单层或少层二硫化钼的聚集。

液相超声法则是最新发展出来的方法，它以操作简单、制备条件相对宽松而正被广泛应用于光电子器件，申请号为201410081869.3的中国专利将配制的二硫化钼分散液先后进行低高功率的两步超声，剥离制备二硫化钼纳米片。然而液相超声法需要大功率超声设备且长时间超声处理，限制了工业化生产，它的剥离程度和剥离效率均低于前两种方法，且产物中单层二硫化钼的含量较低。

申请号为201310704356.0的中国专利公开了采用一种采用液氮对二硫化钼进行前处理、然后再于NMP中超声剥离来提高纳米片层剥离效率的方法；申请号为201410086208.x的中国专利公开了一种将二硫化钼于高温高压下插层处理，继而再通过超声实现剥离的方法；申请号为201110347902.9的中国专利公开了一种采用射流空化技术实现对二硫化钼纳米片层的剥离；申请号为201410717991.5的中国专利公开了一种采用氧化剂氧化后超声分离得到二硫化钼纳米片层的剥离制备方法。总结这些二硫化钼纳米片层的剥离制备技术，仍存在制备过程周期长、能耗大、剥离效率有待进一步改善等问题。

在“自下而上”的合成法中，化学气相沉积法应用较多，如申请号为201410087035.3的中国专利将钼源和硫源置于陶瓷舟中，并将陶瓷舟放在水平管式炉中部，抽真空后，在氩气保护下高温制备二硫化钼纳米片。然而，化学气相沉积法反应温度高，600℃～850℃，需要惰性气体保护，反应产物污染环境，损害人体健康，为三废处理带来困难。

另外采用水热法的中国专利如申请号为201210311761.X、201310547151.4、201410361617.6，将钼酸盐在含硫化合物溶液中进行水热处理，清洗干燥后得到不同形貌的二硫化钼纳米片。然而，溶剂热法涉及到对温度压力的调控，对设备要求高，反应周期长，不利用工业化生产。

“自下而上”的合成法，可能是由于二硫化钼材料结构的高热和化学稳定性，其研究还处在初级阶段，尚存在制备成本高、工艺控制复杂等问题，而且通过合成法获得类石墨烯二硫化钼的纯度和光、电性质等仍逊色于剥离法。