CN107555423B - 一种用于制备二维纳米材料的剥离溶液及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于制备二维纳米材料的剥离溶液，包括以下成分：体积含量为0.05～59％的醇类物质，体积含量为0.03‑8％的具有甲基的有机溶剂，浓度为0.01mg/L～1g/L的稠环化合物，余量的水。本发明还提出所述剥离溶液的应用。本发明提出的剥离溶液，以液体水为主体，避免了有机溶剂易燃易爆的缺点，同时降低了成本，避免了使用强酸以及强腐蚀性化学试剂；将层状固体颗粒分散于本溶液中，在机械剪切以及超声的作用下，可以有效的加速剥离层状固体颗粒至二维纳米薄片，避免二维纳米薄片的二次聚集。

Description

一种用于制备二维纳米材料的剥离溶液及其应用

技术领域

本发明属于二维纳米材料制备领域，具体涉及一种液相制备方法使用的溶液。

背景技术

理想的石墨烯是二维的单原子层石墨，具有很高的比表面积，优良的化学、热稳定性，良好的导电性能和导热性能，优异的机械性能等性质，自英国曼彻斯特大学的Geim研究组于2004年通过微机械剥离的方法合成石墨烯以来，引发了人们对石墨烯及其复合材料的研究热潮，使得石墨烯在催化、电子、能源、生物医药、材料等领域具有重大的应用前景，同时，类石墨烯二维纳米材料，如二硫化钼纳米薄片、黑磷纳米薄片，具有良好的催化析氢活性和储锂性能，在催化以及能源存储领域中具有潜在的应用价值。

石墨烯或者类石墨烯二维材料可以通过多种方法制备，可以主要分为物理法和化学法，其中物理法可以分为微机械剥离、液相/气相直接剥离等方法，化学法可以分为化学气相沉积(CVD)、氧化还原法等方法。CVD方法是通过高温下气相反应而沉积在固体薄膜基底上石墨烯的方法，该方法可以制备高质量、大面积的石墨烯，但较高的成本、复杂的工艺以及严苛的工艺条件控制条件制约了其发展。目前最为常用的氧化还原方法，其基本原理是通过强质子酸处理石墨,形成石墨层间化合物,然后加入强氧化剂对其进行氧化，形成氧化石墨烯，通过进一步还原可以得到还原氧化石墨烯，但该法在生产过程中均使用了对化工设备有强腐蚀性、强氧化性的强酸与强氧化剂，对环境有较大的危害，且形成石墨烯的电子结构及晶体完整性均受到严重的破坏，电导率有明显的降低，限制了其在能源、电子领域中的应用和产业化发展。液相机械剥离的方法可以制备出高质量的石墨烯以及类石墨烯二维纳米材料，但其效率低且成本高，如在纯水中剥离效率比较低，在部分纯有机溶剂中的剥离效率虽然比较高，但有机溶剂的使用存在有易燃易爆、成本高等特点，限制了其产业化应用。

发明内容

为了能够高效、清洁、低成本的制备具有晶体结构完整、比表面积大的石墨烯以及类石墨烯二维纳米材料，本发明的目的在于提供一种能够在机械剪切以及超声的复合作用下进行剥离层状结构固体颗粒的剥离溶液，在高速机械剪切以及超声的复合作用下，分散于该溶液中的层状固体颗粒能够被高效、清洁、安全、稳定的剥离成二维纳米材料，且所制备二维材料具有晶体结构完整、厚度薄、面积可调可控、比表面积大等优点。

本发明的第二个目的是提出所述剥离溶液的应用。

实现本发明目的的技术方案为：

一种用于制备二维纳米材料的剥离溶液，包括以下成分：体积含量为0.05～59％的醇类物质，体积含量为0.05～59％的醇类物质，体积含量为0.03-8％的具有甲基的有机溶剂，浓度为0.01mg/L～1g/L的稠环化合物，余量的水；

所述有甲基的有机溶剂为二甲基亚砜、氮，氮-二甲基甲酰胺、氮-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

进一步地，所述醇类物质为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、丙三醇中的4种至6种。醇类物质的体积含量可以为10～20％。

其中，所述剥离溶液中每种醇类物质的体积含量在均在0.01-59％之间，但醇类物质的总体积含量在0.05％-59％。

可选地，所述剥离溶液中乙醇的体积含量为0.5～2％，仲丁醇、叔丁醇、甘油醇中的一种的体积含量为4～10％。

其中，所述剥离溶液中含有体积含量为0.01～2％的二甲基亚砜，体积含量为0.01～2％的氮，氮-二甲基甲酰胺和体积含量为0.01～3％的氮-甲基吡咯烷酮。

优选地，所述剥离溶液中含有浓度为0.01g/L～0.1g/L的9-蒽羧酸，以及浓度为0.01g/L～0.1g/L的芘-1-磺酸钠盐。

所述剥离溶液的配制过程为：先将醇类物质加入到水中，再加入其它溶质，搅拌均匀即可。

本发明所述剥离溶液在制备二维纳米材料中的应用。

应用所述剥离溶液制备二维纳米材料的方法，包括以下操作：

配制剥离溶液，将二维纳米材料的前驱体置于所述剥离溶液中，经过机械剪切和超声剥离，离心分离，所得清液即为二维纳米材料的分散液，经过1-3次真空抽滤、水洗，最后冷冻干燥，得到二维纳米材料；

其中，所述二维纳米材料的前驱体为石墨粉、鳞片石墨、二硫化钼粉末、黑磷粉末中的一种。

进一步地，所述二维纳米材料的前驱体与所述剥离溶液的质量体积比为10～100g：1000mL。

其中，所述机械剪切和超声剥离为：

(1)、将乳化切割机刀头没入液面下，在40℃水浴条件下，保持刀头转速8000rpm，对混合液切割2h。

(2)、将经过步骤(1)的混合液放入细胞破碎机中，在40℃水浴条件下，保持功率800w，对混合液超声30min。

(3)、对混合液交替实施步骤(1)中所述的乳化切割步骤与步骤(2)中所述的超声步骤，共交替5轮。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明提出的剥离溶液，以液体水为主体，避免了有机溶剂易燃易爆的缺点，同时降低了成本，避免了使用强酸以及强腐蚀性化学试剂；将层状固体颗粒分散于本溶液中，在机械剪切以及超声的作用下，可以有效的加速剥离层状固体颗粒至二维纳米薄片，避免所剥离二维纳米薄片的二次聚集，同时，该溶液易于清洗，经过1-3次水洗即可制得干净的二维纳米薄片，避免了有机溶剂或者无机盐难以清洗的缺点。

1.本发明以液态水为主体，在机械剪切以及超声的复合作用下，能够有效加速层状粉体的剥离效率，提高二维纳米材料的收率。

2.本发明以液态水为主体，避免了有机溶剂易挥发以及易燃易爆的缺点。

3.本发明能够有效分散剥离出的二维纳米薄片，且易于清洗，易于制备出干净的二维纳米材料。

4.本发明化学稳定性良好，且成本低，易于进行产业化应用。

附图说明

图1为采用本发明实施例1的液体介质制备出石墨烯纳米片的原子力显微镜图片及其高度扫描曲线，

图2为采用本发明实施例1的液体介质制备出石墨烯纳米片的扫描镜图片。

具体实施方式

以下具体实施方式用于说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。

实施例中，乳化切割通过乳化切割机实现，强超声通过细胞破碎机实现。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

实施例1：

首先将10ml乙醇、10ml异丁醇、15ml叔丁醇、100ml丙三醇加入到1L的去离子水中；同时将1ml二甲基亚砜、1ml氮，氮-二甲基甲酰胺、1ml氮-甲基吡咯烷酮、0.05g 9-蒽羧酸、0.01g芘-1-磺酸钠盐加入到上述的水溶液之中，搅拌均匀之后即得剥离溶液。

将100g鳞片石墨搅拌分散于上述溶液中，经过机械剪切以及超声剥离作用，可以得到厚度约3nm、且晶体结构完整的石墨烯，其原子力显微镜以及扫描电镜微观图片如图1、图2所示。

机械剪切以及超声剥离操作如下：

(1)、将乳化切割机刀头没入液面下，在40℃水浴条件下，保持刀头转速8000rpm，对混合液切割2h。

(2)、将经过步骤(1)的混合液放入细胞破碎机中，在40℃水浴条件下，保持功率800w，对混合液超声30min。

(3)、对混合液交替实施步骤(1)中所述的乳化切割步骤与步骤(2)中所述的超声步骤，共交替5轮。

(4)、将经过步骤(3)的混合液以转速3000rpm进行离心，离心15min，收集上层液，即为石墨烯分散液，用水洗三次，干燥。

得到石墨烯二维纳米片32g，相较于纯水溶液的剥离溶液，以该溶液制备的石墨烯的收率提高了约4倍。

对比例1：

使用去离子水为剥离溶液，鳞片石墨的用量、剪切剥离操作同实施例1，得到的石墨烯为8.0g。

对比例2

剥离溶液为10ml乙醇、10ml异丁醇、15ml叔丁醇、100ml甘油醇加入到1L的去离子水中；同时将1ml二甲基亚砜、1ml氮，氮-二甲基甲酰胺、1ml氮-甲基吡咯烷酮加入到上述的水溶液之中，搅拌均匀之后即得。

鳞片石墨的用量、剪切剥离操作同实施例1，得到的石墨烯为16.8g。二甲基亚砜很容易粘在石墨烯上，不容易清洗。

对比例3

剥离溶液为10ml乙醇、10ml异丁醇、15ml叔丁醇、100ml甘油醇加入到1L的去离子水中；同时将0.05g 9-蒽羧酸、0.01g芘-1-磺酸钠盐加入到上述的水溶液之中，搅拌均匀之后即得。

鳞片石墨的用量、剪切剥离操作同实施例1，得到的石墨烯为21.3g。

对比例4

剥离溶液为水500mL、异丙醇500mL混合；

鳞片石墨的用量、剪切剥离操作同实施例1，得到的石墨烯为2.27g。但是这种剥离溶液比较好清洗。

实施例2

首先将10ml乙醇、100ml异丙醇、10ml正丁醇、50ml叔丁醇、20ml甘油醇加入到1L的去离子水溶液中；同时将0.8ml氮，氮-二甲基甲酰胺、1ml二甲基亚砜、0.3ml氮-甲基吡咯烷酮、0.02g 9-蒽羧酸、0.05g芘-1-磺酸钠盐加入到上述的水溶液之中，搅拌均匀之后即得剥离溶液，将100g二硫化钼粉末搅拌分散于上述溶液中，经过机械剪切以及超声剥离作用，可以得到厚度在1-10nm、且结晶度良好的二硫化钼纳米片，相较于纯水溶液，以该溶液制备的二硫化钼纳米片的收率提高了约2倍。

实施例3

首先将10ml乙醇、10ml正丙醇、20ml异丙醇、15ml叔丁醇、100ml仲丁醇加入到1L的去离子水溶液中；同时将2ml氮-甲基吡咯烷酮、0.8ml氮，氮-二甲基甲酰胺、1ml二甲基亚砜、0.1g 9-蒽羧酸、0.06g芘-1-磺酸钠盐加入到上述的水溶液之中，搅拌均匀之后即得剥离溶液，将30g黑磷粉末搅拌分散于上述溶液中，经过机械剪切以及超声剥离作用，可以得到厚度在1-10nm的黑磷纳米片，相较于纯水溶液，以该溶液制备的黑磷纳米片的收率提高了约3倍。

在本发明开发出的剥离溶液中，以及机械剪切以及超声的复合作用下，层状的固体粉末可以被高效、清洁的剥离成二维纳米薄片，如石墨烯、二硫化钼、黑磷纳米薄片，经过1-3次水洗即可获得干净的二维纳米薄片，避免了使用部分有机溶剂或者无机盐溶液所导致的二维纳米薄片不容易清洗干净的问题。

以上的实例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于制备二维纳米材料的剥离溶液，其特征在于，包括以下成分：体积含量为0.05~59% 的醇类物质，体积含量为0.01~2%的二甲基亚砜，体积含量为0.01~2%的氮，氮-二甲基甲酰胺和体积含量为0.01~3%的氮-甲基吡咯烷酮，浓度为0.01g/L~0.1g/L的9-蒽羧酸，以及浓度为0.01g/L~0.1g/L的芘-1-磺酸钠盐，余量的水；所述醇类物质为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、丙三醇中的4种至6种。

2.根据权利要求1所述的剥离溶液，其特征在于，所述剥离溶液的配制过程为：先将醇类物质加入到水中，再加入其它溶质，搅拌均匀即可。

3.权利要求1或2所述剥离溶液在制备二维纳米材料中的应用。

4.应用权利要求1或2所述剥离溶液制备二维纳米材料的方法，其特征在于，包括以下操作：

配制剥离溶液，将二维纳米材料的前驱体置于所述剥离溶液中，经过机械剪切和超声剥离，离心分离，所得清液即为二维纳米材料的分散液，经过1-3次真空抽滤与水洗，而后冷冻干燥，得到二维纳米材料；

其中，所述二维纳米材料的前驱体为石墨粉、鳞片石墨、二硫化钼粉末、黑磷粉末中的一种。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述二维纳米材料的前驱体与所述剥离溶液的质量体积比为10~100g：1000mL。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述机械剪切和超声剥离为：

(1)、将乳化切割机刀头没入液面下，在40℃水浴条件下，保持刀头转速8000rpm，对混合液切割2h；

(2)、将经过步骤(1)的混合液放入细胞破碎机中，在40℃水浴条件下，保持功率800w，对混合液超声30min；

(3)、对混合液交替实施步骤(1)中所述的乳化切割步骤与步骤(2)中所述的超声步骤，共交替5轮。