一种高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液及其制备方法 (High-concentration high-dispersibility ultrathin molybdenum disulfide dispersion liquid and preparation method thereof ) 是由 宋浩杰 田瑞 杨进 王思哲 李永 贾晓华 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液及其制备方法,以二硫化钼为原料、离子液晶为辅助剂,按特定比例分散于去离子水中,采用超声的方式制备出水基高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液,制备的二硫化钼分散液能够在常温条件下长期稳定保存,制备工艺简单高效,生产周期短,适用于大规模生产；采用水为溶剂制得的二硫化钼表面不会残存有机物,生产成本低,绿色环保,安全系数高,不会破坏二硫化钼的晶体结构,具有很高的应用价值。(The invention discloses a high-concentration high-dispersibility ultrathin molybdenum disulfide dispersion liquid and a preparation method thereof, wherein molybdenum disulfide is used as a raw material, ionic liquid crystal is used as an auxiliary agent, the molybdenum disulfide is dispersed in deionized water according to a specific proportion, and a water-based high-concentration high-dispersibility ultrathin molybdenum disulfide dispersion liquid is prepared in an ultrasonic mode; the molybdenum disulfide surface that adopts water to make as the solvent can not remain the organic matter, low in production cost, green, factor of safety is high, can not destroy molybdenum disulfide's crystal structure, has very high using value.)
技术领域
本发明属于化工领域，涉及一种高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液及其制备方法。
背景技术
二硫化钼(MoS2)作为一种类石墨烯层状结构的过渡金属硫化物近年来引起了广泛的关注。二硫化钼属于六方晶系层状晶体结构，每个晶体由多个二硫化钼分子层构成，单层的二硫化钼是一个由两层硫原子层和一层钼原子层形成的S-Mo-S形式的类三明治形夹层结构。相邻的两分子层间通过较弱的范德华力连接，分子层与层之间的距离为0.65nm，而分子层内通过较强的化学键相连接，因此通过克服范德华力剥离制备单层或少层的二硫化钼纳米片是可能的。相比于原始二硫化钼，单层或少层的二硫化钼纳米片具有优异的物理化学性质，使其具有广泛的应用前景，但是所制备的二硫化钼易发生蜷曲和团聚，致使其在水环境中的分散有限，极大程度上限制了其在光催化、水处理、生物医学、膜技术和海水淡化等水环境中应用。
目前，二硫化钼的制备方法主要包括水热合成、化学气相沉积、机械剥离、离子插层和液相剥离。专利201510042763.7公开了一种液氮或干冰保护下制备高分散性纳米二硫化钼分散液的方法，在液氮或干冰保护下，利用正丁基锂插层制备可膨胀二硫化钼，再经过锂插层膨胀纳米二硫化钼、超声水解、高温热处理后得到高分散性二维纳米二硫化钼粒子，经超声分散于有机溶剂中得到高分散性纳米二硫化钼分散液。该方法虽然可以制得高分散性的二硫化钼分散液，但也仅限于有机溶剂，并且制备过程繁琐，不适用工业生产，极大程度的限制了其在水环境中的应用。
专利201811468304.5公开了一种二硫化钼的剥离方法、及其制备的二硫化钼和用途，该方法通过将二硫化钼粉末、水和表面活性剂混合，经过8～20h超声处理，离心分离得到二硫化钼分散液。该方法所使用的表面活性剂具有亲水基团和疏水基团，疏水基团可以与二硫化钼稳定结合，亲水基团使其稳定分散在水中。虽然该方法可以制备出在水中稳定分散的二硫化钼，但长时间的超声和能量消耗，可能会导致二硫化钼纳米片的结构缺陷，并且所制备的二硫化钼分散液浓度较低(50mg/L)。
因此，本领域需要开发一种简易、高效、绿色的方法用于制备高浓度高分散性的二硫化钼分散液，并且易扩展可工业化生产，制备的二硫化钼分散液可以满足诸多领域的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液及其制备方法，制备方法简单，所制备的二硫化钼分散液能够在常温条件下长期稳定保存，经过离子液晶辅助剥离的二硫化钼的晶体结构未受到破坏。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
制备高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液的方法，包括如下步骤：
(1)将离子液晶添加至去离子水中搅拌至充分溶解，得到浓度为2.5～20mg/mL的离子液晶溶液；
(2)将二硫化钼粉末加入步骤(1)制备的溶液中，二硫化钼粉末与步骤(1)中的离子液晶质量比为(1～5)：1，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合液；
(3)将步骤(2)中得到二硫化钼和离子液晶混合液水浴超声进行超声剥离处理；
(4)将步骤(3)中超声所得的溶液进离心分离处理，取上层三分之二分散液即得到超薄二硫化钼分散液。
进一步，所述步骤(1)中所用的离子液晶为溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑、1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十六烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑、溴化1-十二烷基-3-甲基咪唑或氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑。
进一步，所述步骤(2)中二硫化钼粉末粒径大小为1～2μm。
进一步，所述步骤(3)中的超声功率为100～500W，超声时间为10～60min。
进一步，所述步骤(4)中离心分离的转速为2000～5000rpm，离心时间为5～30min。
本发明具有以下有益的效果：
本发明在剥离二硫化钼过程中采用的溶剂为水，不需要使用其他有机溶剂，采用水为溶剂制得的二硫化钼表面不会残存有机物，生产成本低，绿色环保，安全系数高；采用离子液晶为剥离和稳定分散的辅助剂，可以改善二硫化钼在水中的分散性，进而使剥离更加彻底，剥离得到的二硫化钼可以稳定分散于水溶液中，室温下可保存长达8个月，并且二硫化钼的浓度可达7.85mg/mL，解决了二硫化钼纳米片在水环境中稳定性差的技术问题。
本发明经过离子液晶辅助剥离，采用超声的方式在一定功率下制备出水基高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液，不会改变二硫化钼的物理化学性质，不会破坏二硫化钼的晶体结构，具有很高的应用价值。
本发明以二硫化钼为原料、离子液晶为辅助剂，按特定比例分散于去离子水中，采用超声的方式制备出水基高浓度高分散性的超薄二硫化钼分散液，制备的二硫化钼分散液能够在常温条件下长期稳定保存，制备工艺简单高效，生产周期短，适用于大规模生产。
附图说明
图1为实施例4制备的高分散二硫化钼的透射电镜照片；
图2为实施例4制备的高分散二硫化钼分散液的宏观照片；
图3为实施例4制备的高分散二硫化钼分散液的紫外光谱图；
图4位实施例4制备的高分散二硫化钼分散液的分散照片；
图5位实施例4制备的高分散二硫化钼分散液放置8个月的宏观照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1
(1)称取50mg离子液晶-溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑加入20mL去离子水中，强力搅拌至充分溶于水中，得到用于剥离二硫化钼的离子液晶水溶液(浓度为2.5mg/mL)；
(2)称取0.05g二硫化钼粉末添加到离子液晶溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合溶液；
(3)将二硫化钼和离子液晶混合溶液超声处理20min，超声功率为100W，频率为40KHz；
(4)将超声处理的二硫化钼分散液通过离心机进行离心分离处理，离心转速为2000rpm，离心时间为30min；
(5)经过离心处理后，取上层三分之二的清液，即得到高分散性的二硫化钼分散液，通过紫外光谱确定其浓度为2.23mg/mL。
实施例2
(1)称取100mg离子液晶-1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐加入20mL去离子水中，强力搅拌至充分溶于水中，得到用于剥离二硫化钼的离子液晶水溶液(浓度为5mg/mL)；
(2)称取0.5g二硫化钼粉末添加到离子液晶溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合溶液；
(3)将二硫化钼和离子液晶混合溶液超声处理30min，超声功率为200W，频率为40KHz；
(4)将超声处理的二硫化钼分散液通过离心机进行离心分离处理，离心转速为2000rpm，离心时间为30min；
(5)经过离心处理后，取上层三分之二的清液，即得到高分散性的二硫化钼分散液，通过紫外光谱确定其浓度为3.45mg/mL。
实施例3
(1)称取200mg离子液晶-1-十六烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐加入20mL去离子水中，强力搅拌至充分溶于水中，得到用于剥离二硫化钼的离子液晶水溶液(浓度为10mg/mL)；
(2)称取1g二硫化钼粉末添加到离子液晶溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合溶液；
(3)将二硫化钼和离子液晶混合溶液超声处理40min，超声功率为300W，频率为40KHz；
(4)将超声处理的二硫化钼分散液通过离心机进行离心分离处理，离心转速为3000rpm，离心时间为20min；
(5)经过离心处理后，取上层三分之二的清液，即得到高分散性的二硫化钼分散液，通过紫外光谱确定其浓度为5.28mg/mL。
实施例4
(1)称取300mg离子液晶-氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑加入20mL去离子水中，强力搅拌至充分溶于水中，得到用于剥离二硫化钼的离子液晶水溶液(浓度为15mg/mL)；
(2)称取1.5g二硫化钼粉末添加到离子液晶溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合溶液；
(3)将二硫化钼和离子液晶混合溶液超声处理30min，超声功率为500W，频率为40KHz；
(4)将超声处理的二硫化钼分散液通过离心机进行离心分离处理，离心转速为4000rpm，离心时间为30min；
(5)经过离心处理后，取上层三分之二的清液，即得到高分散性的二硫化钼分散液，通过紫外光谱确定其浓度为7.16mg/mL。
如图1实施例4制备的高分散二硫化钼的透射电镜照片，从图中可以看出制备的二硫化钼分散均匀，尺寸大约100nm左右；
如图2为实施例4制备的高分散二硫化钼分散液的宏观照片，从图中可以看出制备的二硫化钼分散液呈深绿色；
如图3为实施例4制备的高分散二硫化钼分散液的紫外光谱图，从图中可以看出在615和670nm处有两个特征峰，归因于布里渊区K点2H型二硫化钼的B激子和A激子跃迁；
如图4位实施例4制备的高分散二硫化钼分散液的分散照片，从图中可以看出制备的二硫化钼分散性极好，具有很好的水溶性；
如图5位实施例4制备的高分散二硫化钼分散液放置8个月的宏观照片，从图中可以看出放置8个月后的二硫化钼分散液仍没有颜色的改变，说明制备的二硫化钼分散液具有很好的分散稳定性。
实施例5
(1)称取300mg离子液晶-溴化1-十二烷基-3-甲基咪唑加入20mL去离子水中，强力搅拌至充分溶于水中，得到用于剥离二硫化钼的离子液晶水溶液(浓度为15mg/mL)；
(2)称取2g二硫化钼粉末添加到离子液晶溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合溶液；
(3)将二硫化钼和离子液晶混合溶液超声处理30min，超声功率为500W，频率为40KHz；
(4)将超声处理的二硫化钼分散液通过离心机进行离心分离处理，离心转速为3000rpm，离心时间为30min；
(5)经过离心处理后，取上层三分之二的清液，即得到高分散性的二硫化钼分散液，通过紫外光谱确定其浓度为7.85mg/mL。
实施例6
(1)称取400mg离子液晶-氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑加入20mL去离子水中，强力搅拌至充分溶于水中，得到用于剥离二硫化钼的离子液晶水溶液(浓度为20mg/mL)；
(2)称取2g二硫化钼粉末添加到离子液晶溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合溶液；
(3)将二硫化钼和离子液晶混合溶液超声处理60min，超声功率为500W，频率为40KHz；
(4)将超声处理的二硫化钼分散液通过离心机进行离心分离处理，离心转速为5000rpm，离心时间为10min；
经过离心处理后，取上层三分之二的清液，即得到高分散性的二硫化钼分散液，通过紫外光谱确定其浓度为7.24mg/mL。
实施例7
(1)称取400mg离子液晶-氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑加入20mL去离子水中，强力搅拌至充分溶于水中，得到用于剥离二硫化钼的离子液晶水溶液(浓度为20mg/mL)；
(2)称取2g二硫化钼粉末添加到离子液晶溶液中，搅拌至其分散均匀，得到二硫化钼和离子液晶的混合溶液；
(3)将二硫化钼和离子液晶混合溶液超声处理10min，超声功率为500W，频率为40KHz；
(4)将超声处理的二硫化钼分散液通过离心机进行离心分离处理，离心转速为5000rpm，离心时间为5min；
经过离心处理后，取上层三分之二的清液，即得到高分散性的二硫化钼分散液，通过紫外光谱确定其浓度为7.24mg/mL。
最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
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