[发明专利]可分解碱金属化合物辅助制备二维过渡金属氮化物的方法

说明书

本发明属于非层状二维过渡金属氮化物制备领域，具体公开可分解碱金属化合物辅助制备二维过渡金属氮化物的方法，包括：将可分解碱金属化合物作为辅助剂，其熔融渗透到硫化物层状结构中并分解生产碱性氧化物，碱性氧化物对硫化物进行脱硫处理；通入氨气或含氮的气相前驱物，氨气进一步剥离层状结构并对硫化物进一步脱硫氮化处理，得到包括副产物和二维过渡金属氮化物的混合产物；对混合产物酸洗以去除副产物，得到二维过渡金属氮化物。本发明利用碱金属化合物作为辅助剂，仅需要研磨、热氮化和酸洗等简单步骤即可制备出二维过渡金属氮化物，实现低成本、绿色简单高效、可规模化的二维氮化物纳米片制备。

技术领域

本发明属于非层状二维过渡金属氮化物制备领域，更具体地，涉及一种可分解碱式金属化合物辅助制备二维过渡金属氮化物的方法。

背景技术

过渡金属氮化物是一种间隙性金属化合物，具有高导电性，良好的化学稳定性和高电化学活性，是鲜有的兼具类金属导电性和陶瓷材料高硬度特性的优良材料。此外，二维的过渡金属氮化物表现出优异的机械强度和柔韧性，相较于体相材料，其具有更大的比表面积及快速的离子传输，因此二维过渡金属氮化物在能量存储等领域有较好的运用前景。二维纳米材料中可分为层状二维材料和非层状二维材料。其中，二维层状材料主要依靠原子层间的范德华力连接，其常见的制备方法有自上而下的剥离法和自下而上合成法。非层状二维材料由强的三维化学键作用连接，无法采用常规的层状二维材料的制备方法获得。然而，大部分的过渡金属氮化物是非层状材料，导致其二维结构制备困难。所以，开发出一种简单、高效、易规模化的方法来制备二维过渡金属氮化物纳米片，是如今亟需解决的问题。

目前，针对二维过渡金属氮化物纳米片制备问题，国内外研究者已经提出了许多策略。常见的制备非层状二维过渡金属氮化物的方法主要有拓扑转化法、选择性刻蚀法和化学气相沉积法。拓扑转化法主要是以二维过渡金属氧化物或者硫化物纳米片为前驱体，通过选择性的原子取代反应来制备二维过渡金属氮化物。虽然拓扑转化可以通过简单的热氮化过程来制备二维的过渡金属氮化物，但是此方法对二维过渡金属氧化物或者硫化物纳米片前驱体的要求较高，并且前驱体的制备过程复杂、效率低、不易工业化。选择性刻蚀法主要是通过选择性刻蚀MAX中的A层原子(Al、Ga等)来制备类石墨烯的二维过渡金属氮化物MXene。但是该方法制备二维过渡金属氮化物的过程中，需要利用大量强腐蚀性的HF或LiF-HCl混合溶液，具有一定的危险性，并且不符合绿色制备的主题。以外，目前用选择性刻蚀法制备二维过渡金属氮化MXene仅限于Ti₄N₃、Ti₂N和Mo₂N，还没有制备二维W基氮化物的相关研究，不具有普适性。化学气相沉积法(CVD)也是制备金属氮化物一种有效手段。CVD常用来在SiO₂/Si基底上，选取合适的前驱体及氮源来沉积氮化钼。利用CVD法制备的氮化钼可以得到更均匀的二维形貌。该方法适用于制备大面积、高质量的二维薄膜，但通常产率低、成本高，不适于大规模制备二维过渡金属氮化物。综上，目前所运用的制备二维过渡金属氮化物的方法，存在产率低、流程复杂、难以规模化生产、有些方法还存在着一定的污染性等的问题。所以，发展低成本、高效、绿色和易规模化的制备方法迫在眉睫，这也是推进二维过渡金属氮化物应用的关键。

发明内容

本发明提供一种可分解碱式金属化合物辅助制备二维过渡金属氮化物的方法，用以解决现有过渡金属氮化物制备方法存在制备过程复杂的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：可分解碱金属化合物辅助制备二维过渡金属氮化物的方法，包括：

将可分解碱金属化合物作为辅助剂，控制其熔融渗透入块体层状过渡金属硫化物层间并发生分解生成碱性氧化物，其中，所述碱性氧化物对所述块体层状过渡金属硫化物进行脱硫处理；

通入氨气和/或含氮的气相前驱物，以进一步剥离所述层状结构并对所述块体层状过渡金属硫化物进一步脱硫氮化处理，得到包括副产物和二维过渡金属氮化物的混合产物；

对所述混合产物酸洗，以去除所述副产物，得到二维过渡金属氮化物。