[发明专利]一种制备单层2H相二硫化钼/微纳米碳复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于二硫化钼/碳复合材料的合成技术领域，具体涉及一种制备单层2H相二硫化钼/微纳米碳复合材料的方法。

背景技术

二硫化钼具有典型三明治层状结构，由于其层间相对较弱的范德华力，也可以剥离成单层或少层数的纳米片，被认为是另外一种相当重要的二维纳米片材料，具有独特的物理、化学和电学特性。Radisavljevic等人测试表明单层MoS₂的电导率要比块体MoS₂提高100个数量级，使得其在电子器件及电子传感器中有着优越的性能（Nat.Nanotechnol.2011,6,147）；Mak等人通过计算模拟表明MoS₂从块体剥离至单层，由于量子限域效应，其禁带宽度由间接带隙的1.3eV增大为直接带隙的1.8eV，使得光生电子空穴的分离能力提高（Phys.Rev.Lett.2010,105）；Hinnemann等人通过密度函公式计算纳米级MoS₂的暴露活性边缘的吸附氢吉布斯自由能，发现其边缘有很强的氢吸附能力，并有着金属Pt一样接近零吉布斯自由能的析氢性能，从而推断出单层的MoS₂拥有更多的暴露活性边缘，很有希望成为替代Pt作为析氢材料的催化剂（J.Am.Chem.Soc.2005,127,5308）。Chen W.X.等人研究表明，单层MoS₂在与碳基材料复合时，有着超高的容量贡献（>1500mAh/g），远远超过其块体材料的理论值（J.Mater.Chem.2011,21,6251）。

二硫化钼存在三种相态，即1T、2H和3R相。其中，1T相是MoS₂以一个S-Mo-S单分子层作为最小重复单元堆叠，而2H和3R相是以两个和三个S-Mo-S单分子层作为最小重复单元堆叠。自然界中大部分MoS₂是以2H稳定相存在的，1T和3R相属于亚稳态结构，在一定条件下可以转变为2H相。由于单层2H相的MoS₂已经失去了双分子层为最小重复单元的特性，因此也被称为1H相。不同相态的MoS₂材料所呈现的物理化学特性也不尽相同。例如，2H态MoS₂材料展现出禁带宽度为1.3-1.9eV的半导体特性，其通过层数的多少来调节禁带宽度的大小；而1T态的MoS₂材料则呈现出金属特性，其优越的导电性在催化水分解制氢以及超级电容领域取得了重要的突破（Advanced Energy Materials,2016,DOI:10.1002/aenm.201502555）。

虽然单层MoS₂纳米材料在热、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、物理法难以制备出纯单层结构的MoS₂纳米材料，尤其是不同相态的单层硫化钼剥离制备。目前制备单层MoS₂纳米材料的主要有微机械力剥离法、化学气相沉积法、锂离子插层法以及液相超声法等，这些剥离方法不仅操作繁琐，工艺复杂，而且单层MoS₂的产量极低，大部分是厚度为1-100nm的少层数MoS₂纳米片，而非真正意义上的单层MoS₂。除了难以高效率地剥离制备单层MoS₂纳米片外，MoS₂纳米片只能在诸如二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮等高沸点有机溶剂中剥离和保存，而这些有机溶剂粘度大、沸点很高，在离心收集过程中，单层或少层数MoS₂又重新聚集成多层MoS₂纳米片，从而限制了单层MoS₂纳米片在一些科研或工业领域的探索和应用。此外，MoS₂纳米片在实际应用研究过程中，常与无定型碳、碳纳米管、碳纤维以及石墨烯等碳材料复合，以增加其导电性能。

发明内容