二硫化钼纳米薄片分散液的剥离制备

二硫化钼纳米薄片分散液的剥离制备
刘陈仁浪;李培真;陈龙;安琪
【摘要】文中采用液相超声剥离粉末二硫化钼制备了纳米薄片分散液,通过紫外可见吸收光谱测定分散液的浓度,并探索了超声功率、超声时间以及二硫化钼初始浓度对纳米薄片分散液浓度的影响.实验结果表明,当超声功率为350 W,超声时间为48 h,二硫化钼初始浓度为10 mg/mL时,所制备的纳米薄片分散液浓度可达0.16 mg/mL.在剥离过程中加入聚乙烯吡咯烷酮,可以有效避免由于纳米薄片自身团聚而导致的分散液稳定性差的问题,所得到的二硫化钼纳米薄片分散液可稳定存放超过两个月;同时,PVP的加入可将二硫化钼纳米薄片分散液浓度提高至0.42 mg/mL.【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2019(032)004
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】液相超声剥离;二硫化钼;纳米薄片;团聚;聚乙烯吡咯烷酮;稳定性
【作者】刘陈仁浪;李培真;陈龙;安琪
【作者单位】电子科技大学材料与能源学院,四川成都 610054;电子科技大学材料与能源学院,四川成都 610054;电子科技大学材料与能源学院,四川成都610054;电子科技大学材料与能源学院,四川成都 610054
【正文语种】中文
【中图分类】TN04;O6-31
二维材料(石墨烯[1]、过渡金属硫化物[2-4]和黑磷[5]等)具有优异的电、光、热和
机械性能，被广泛应用于电子器件的制造中。

二硫化钼(MoS2)以其丰富的储量、
易于层状化和极佳的物理化学性能成为电子材料的研究热点[6-8]。

六方晶系
MoS2具有与石墨烯类似的二维层状结构，层内由S-Mo-S三原子层通过较强的
共价键结合(厚度仅为0.65 nm)，层间通过较弱的范德华力相互作用，使得MoS2体材料易在外界环境影响下形成薄层结构。

二硫化钼由体材料减薄至单层或少层时，其比表面积增加且不饱和悬挂键增多，使其在气/湿敏传感以及催化析氢领域具有更大的应用潜力[9-11]。

目前获得薄层纳
米结构MoS2的制备方法主要有：微机械力剥离法[12]、锂离子插层法[9]、液相
超声剥离法[13]和化学气相沉积法[14]等。

其中，微机械力剥离法产量低、可重复性差，无法用于大规模制备；锂离子插层法工艺耗时、制备条件苛刻；化学气相沉积法制备成本高、工艺控制复杂。

液相超声剥离法通过选取合适的剥离溶剂体系，利用超声波振荡从块材上剥离出薄层材料，离心后即可获得薄层MoS2纳米片，
具有操作简单、制备技术灵活性高、适合规模化生产的显著优点。

本文采用液相超声剥离法，通过对超声功率、超声时间以及MoS2体材料初始浓
度的控制来获得高浓度的二硫化钼纳米薄片分散液。

为了规避纳米薄片微尺度效应带来的团聚现象，本文通过加入稳定剂来提高二硫化钼纳米薄片分散液的稳定性。

1 实验
1.1 实验仪器与试剂
实验仪器：超声池(昆山禾创KH-500DB)、离心机(蜀科TG-16)。

实验试剂：二硫化钼粉末(购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，分析纯)、乙醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP Mv=40 000)、正丙醇、丙三醇、乙二醇(均购自成都市科龙化工试剂厂，分析纯)，去离子水为实验室自制。

1.2 液相剥离与离心分离
在烧杯中配制50%的乙醇-水溶液40 mL，将二硫化钼粉末加入溶液中；加入占二硫化钼质量分数20 %的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为稳定剂得到分散液。

将烧杯置
于超声池中，利用超声池产生的超声波对分散液进行液相超声剥离；整个超声过程采用冷凝装置保持分散液温度在25～30 ℃，以免温度过高使得溶剂挥发。

超声结束后将分散液转移至离心管中，在7 500 rpm的离心速率下离心15 min，收集离心管2/3处的上清液。

1.3 分析与表征
二硫化钼纳米薄片分散液浓度测试采用紫外可见光分光光度计。

根据兰伯特-比尔
定律A/l=αC可以计算出分散液的浓度，其中A是吸光度，l是比色皿的长度
=0.01 m，α是消光系数，C是浓度。

采用日本JEOL JSM-6490LV型扫描电子显微镜(SEM)观察样品的微观形貌与尺寸。

2 结果与分析
2.1 超声功率对纳米薄片分散液浓度的影响
表1中不同超声功率下得到的样品A1、B1、C1的紫外可见吸收光谱，结果如图
1所示。

可以看出，三条光谱曲线均在620 nm与670 nm处出现了较强的特征峰，表明了二硫化钼的存在[15]。

由兰伯特-比尔定律A/l=αC可计算出分散液的
浓度[16]，其中，消光系数α取1 817 L/mg。

样品A1、B1、C1的浓度分别为CA1=0.07 mg/mL、CB1=0.15 mg/mL、CC1=0.1 mg/mL；分散液的浓度随着超声功率的增大呈现先增大后减小的趋势，在超声功率为350 W时分散液的浓度最大。

超声功率过低时，剥离二硫化钼粉末的剪切力与空化作用弱，剥离程度低，因而得到的二硫化钼纳米薄片含量少；超声功率过高则会导致二硫化钼粉末经剥离后的尺度小，从而导致离心分离后的浓度下降。

因而，优化的超声功率为350 W。

表1不同超声功率下的实验条件Table 1.Experimental conditions under
different ultrasonic power样品编号A1B1C1MoS2初始浓度/mg·mL-1101010超声功率/W200350500超声处理时间/h484848离心速率/rpm7 5007 5007
500
图1不同超声功率下分散液的紫外可见吸收光谱Figure 1.UV-visible spectra of dispersion under different ultrasonic power
2.2 超声时间对纳米薄片分散液浓度的影响
表2中不同超声时间得到的样品A2、B2、C2经测试得到的紫外可见吸收光谱，
其结果如图2所示。

可以看出，3条光谱曲线在620 nm与670 nm也出现了较
强的二硫化钼特征峰。

分散液的浓度随超声时间的增加呈现出先增大后减小的趋势，在超声时间为48 h时分散液浓度最大，CB2=0.16 mg/mL。

超声时间过短，被剥离下的纳米薄片较少，随着超声时间增加，纳米薄片逐渐增多。

然而当超声时间继续增加时，被剥离下来的纳米薄片的尺寸反而会因长时间的超声震荡而变小，从而导致离心分离后浓度减小。

因此，优化的超声时间为48 h。

表2不同超声时间下的实验条件Table 2.Experimental conditions under different ultrasonic time样品编号A2B2C2MoS2初始浓度/mg·mL-1101010
超声功率/W 350350350超声处理时间/h 244872离心速率/rpm7 5007 5007 500
图2不同超声时间下分散液的紫外可见吸收光谱Figure 2.UV-visible spectra of dispersion under different ultrasonic time
2.3 初始浓度对纳米薄片浓度的影响
表3中为不同初始浓度得到的样品A3、B3、C3测试得到的紫外可见吸收光谱，
结果如图3所示。

可以看出，分散液的浓度随初始浓度的增加呈现出先增大后减
小的趋势，在初始浓度为10 mg/mL时浓度最大，CB3=0.16 mg/mL。

当初始浓度过低时，被剥离下来的纳米薄片数量有限，而当初始浓度过高时，过多的二硫化
钼粉末会削弱超声剥离的剪切能量，导致剥离下来的纳米薄片数量减少。

因此，优化的二硫化钼初始浓度为10 mg/mL。

表3不同初始浓度下的实验条件Table 3.Experimental conditions under different initial concentration of MoS2样品编号A3B3C3MoS2初始浓度
/mg·mL-151020超声功率/W350350350超声处理时间/h484848离心速率
/rpm7 5007 5007 500
图3不同超声浓度下分散液的紫外可见吸收光谱Figure 3.UV-visible spectra of dispersion under different initial concentration of MoS2
2.4 稳定剂对纳米薄片稳定性的影响
通过对超声功率、超声时间以及MoS2体材料初始浓度的探索，得到了制备二硫
化钼纳米薄片分散液的优化条件。

然而，由于纳米薄片的表面能很高且易于在分散液中发生团聚，导致分散液的稳定性差，静置存放3天便会出现沉淀，不利于长
期保存。

因此，本文通过加入稳定剂来获得具有高稳定性的二硫化钼纳米薄片分散液。

实验选取了PVP作为稳定剂，实验条件为优化后的条件(即超声功率350 W、超声时间48 h、初始浓度10 mg/mL)。

图4(a)和图4(b)所示未添加稳定剂超声剥离得到的二硫化钼纳米薄片分散液和静
置1周后的分散液。

可以看出，未加入稳定剂的情况下，二硫化钼纳米薄片分散
液在1周后就会发生严重的团聚现象，在瓶底产生沉淀，分散液的颜色变浅。

而
加入稳定剂后的二硫化钼纳米薄片分散液(图4(c)和(d))在静置2个月后没有出现
沉淀，表现出了很高的稳定性。

图4(e)所示为加入稳定剂后的纳米薄片的扫描电
镜图，可以看出纳米薄片呈均匀、离散分布。

图4(f)为加入稳定剂后二硫化钼纳米薄片分散液的紫外可见吸收光谱，光谱曲线在620 nm与670 nm处出现了二硫
化钼的两个特征峰,计算其浓度为CPVP=0.42 mg/mL，表明稳定剂PVP的加入除了能够提高分散液的稳定性。

同时，加入稳定剂还大幅提高了分散液的浓度，这可
能是由于PVP在二硫化钼粉末剥离过程中起到了插层辅助剥离的作用。

图4MoS2/PVP相关表征(a)、(b)未加入稳定剂的分散液(c)、(d)加入稳定剂的分
散液(e)加入稳定剂所得纳米薄片的扫描电镜图(f)紫外可见吸收光谱Figure
4.Characteristics of MoS2/PVP(a)、(b)optical photo of MoS2 dispersion(c)、
(d)optical photo of MoS2/PVP dispersion(e)SEM image of MoS2/PVP dispersion(f)UV-visible spectra of MoS2/PVP dispersion
3 结束语
采用液相超声剥离法制备了二硫化钼纳米薄片分散液。

探索了超声功率、超声时间以及MoS2体材料初始浓度对纳米薄片分散液浓度的影响，得出优化制备条件为：超声功率350 W、超声时间48 h、MoS2体材料初始浓度10 mg/mL。

通过在超声剥离过程中加入PVP，克服了纳米薄片自身团聚导致的稳定性差的问题，获得
的分散液可稳定存放超过两个月。

值得注意的是，加入PVP可增加纳米薄片分散
液的浓度，使所制备的二硫化钼纳米薄片分散液的浓度达到0.42 mg/mL。

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