一种水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法

本发明属于新材料制备，具体涉及一种水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法。

背景技术：

1、二维(2d)过渡金属二硫属化物（tmd)作为石墨烯以外的一类二维材料，从光学、到电子学、光电子、能量存储和催化等各个领域都有很大的潜在应用。与石墨烯相比，它们具有可调节的带隙。例如，二硫化钼(mos2)作为主要的tmd之一，其单个单层的带隙高达1.9ev，但是由于量子限制，其带隙随着层厚度的增加而减小。得益于其直接带隙，mos2单层显示出优异的电学性能，例如高平面内迁移率和高电流开/关比，这使其成为有吸引力的低功率和高性能晶体管的通道材料。高质量和稳定性的tmd单层材料是水凝胶、生物复合材料和绿色电子产品的理想材料候选者。

2、到目前为止，制备单层和多层二维tmd纳米片的方法有机械剥离、cvd生长、化学/电化学锂嵌入和剥离、在有机溶剂中的液相剥离这几种。然而，有机溶剂中有机锂嵌入和剥离方法存在的主要问题是tmd单层片收率低、浓度低、会分解成亚纳米级片、厚度不一以及会形成金属纳米颗粒和li2s沉淀。这些问题限制了用溶液处理的tmd在薄膜电子等需要清洁和大尺寸薄片的应用中的发展。此外，锂或有机分子(如四庚基阳离子铵或肼)的电化学插层可以在有机溶剂中剥离高质量的mos2和ws2单层，但这些方法需要昂贵的大tmd单晶作为插层反应的阴极。此外，几乎上述大多数tmd薄片必须分散在有毒的有机溶剂中，如异丙醇、n -甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜。现有报道中，水中的二维mxene可以在每次沉积时以接近单层的精度进行lbl组装，但二维tmd单层很难用于这种lbl过程，除非将其分散在水中。此外，水基二维tmd的缺乏也限制了其与大规模水分散纳米材料（如mxene、石墨烯和纳米纤维素）结合成二维多功能异质结构。上述可能性的大门目前都对2d tmd关闭，除非它们可以在水中被剥离成高浓度的单层溶液。因此，水分散的高浓度二维tmd单层的制造对于实际应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，以弥补现有技术的不足。

2、本发明通过开发一种多功能组合策略来解决上面提到的重要问题，该策略可以在液体剥离过程中不使用任何化学添加剂的情况下，在水中对宽范围的tmds进行大规模分层；使用探头超声空化机械剥离将预插层的tmd相在水中分层，以产生各种tmd单层，包括mos2、ws2、mose2、wse2和res2。

3、为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

4、一种水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，包括以下步骤：

5、步骤一：制备锂预插层的tmd粉末：

6、（1）将 tmd晶体粉末浸渍在正丁基锂/己烷类溶液中预插层；

7、（2）预插层完成后，对溶液进行过滤并洗涤，回收锂插层的tmd晶体，得到锂预插层的层状tmd晶体；

8、步骤二：制备水膨胀剥离的tmd粘土状多层：

9、（3）将所述锂预插层的层状tmd晶体浸入到脱氧去离子水中并进行超声处理；

10、（4）去离子水洗涤，再离心分离制得层间水分子膨胀的tmd粘土状多层结构；

11、步骤三：制备水相tmd单层胶体分散系：

12、（5）将所述tmd粘土状多层，再分散到脱氧去离子水中，在冰浴条件下使用探头超声对其剥离；

13、（6）最后再进行离心分离，离心后仅取上清液体积作为过渡金属二硫属化物单层胶体分散液。

14、进一步的，所述步骤（1）中的反应条件是在水、氧含量均小于0.1 ppm条件下，预插层反应时间为3-5天，并不断进行磁力搅拌，全程在充满惰性气体中。

15、进一步的，所述步骤（2）在充满惰性气体中进行，使用烷烃类有机溶剂进行洗涤。

16、进一步的，所述步骤（3）是在在冰浴条件下进行超声：超声功率为220-260 w ，时间为30-35 min，洗出预插层的锂离子。

17、进一步的，所述步骤（4）中，使用去离子水洗涤充分去除预插层的锂离子，同时让水分子进一步插层剥离tmd多层，离心条件为：4000-5000 rpm转速，分离2-30 min。

18、进一步的，所述步骤（5）中，探头超声剥离时间为30-35 min，功率为250-300 w。

19、进一步的，所述步骤（6）中，离心条件为3000-4000 rmp转速离心分离20-25 min，离心后仅取上清液体积的3/4为最佳。

20、上述方法制备的过渡金属二硫属化物单层在电子产品中的应用。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

22、本发明使用水作为溶剂，成本低廉，不使用任何添加剂，不会出现加入的添加剂会附着在tmd薄片的表面进而会影响其整体性能的问题。本发明制得tmd单片收率高，能够大规模制备，且浓度高于2.5g l-1，具有高稳定性，稳定性超过一个月。

23、水分散的tmd一开始以1t金属相为主，退火后可转变为2h半导体相。本发明制备的二维tmd可以与一系列功能材料混合（包括mxene、石墨烯和纳米纤维素）结合成二维多功能异质结构，在高浓度下能够形成稳定的胶体分散体，这为组装各种多功能复合材料提供了一个多功能平台。这对于二维tmd来说是一个巨大的飞跃，因为它允许在干燥甚至潮湿的水凝胶状态下制造大量的电子块状材料和薄膜电子产品。

1.一种水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的反应条件是在水、氧含量均小于0.1 ppm条件下，预插层反应时间为3-5天，并不断进行磁力搅拌，全程在充满惰性气体中进行。

3.如权利要求1所述的水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，其特征在于，所述步骤（2）在充满惰性气体中进行，使用烷烃类有机溶剂进行洗涤。

4.如权利要求1所述的水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，其特征在于，所述步骤（3）是在在冰浴条件下进行超声：超声功率为220-260 w ，时间为30-35min，洗出预插层的锂离子。

5.如权利要求1所述的水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，使用去离子水洗涤充分去除预插层的锂离子，同时让水分子进一步插层剥离tmd多层，离心条件为：4000-5000 rpm转速，分离2-30 min。

6.如权利要求1所述的水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，其特征在于，所述步骤（5）中，探头超声剥离时间为30-35 min，功率为250-300 w。

7.如权利要求1所述的水相大规模剥离制备过渡金属二硫属化物单层的方法，其特征在于，所述步骤（6）中，离心条件为3000-4000 rmp转速离心分离20-25 min，离心后仅取上清液体积的3/4为最佳。

8.权利要求1所述方法制备的过渡金属二硫属化物单层在电子产品中的应用。