液相剥离法制备二维二硫化钼功能材料及其机理研究
二维二硫化钼是一种由单层或少层二硫化钼构成，具有类石墨烯结构的新型二维层状材料。因具有优异的物理化学性质，在能源、环境、生物医疗、催化等众多领域展现出巨大的应用前景。二维二硫化钼的规模化制备及其应用成为目前研究的热点。液相剥离法是实现规模化制备二维二硫化钼的重要方法。然而，该方法仍存在诸多问题，限制了二维二硫化钼的应用和发展。本文围绕液相剥离法绿色高效制备二维二硫化钼功能材料的技术、机理及应用开展了一系列研究，主要内容如下: 1.凝聚沉淀法制备二维二硫化钼粉体。首先以曲拉通水溶液作为分散溶剂，利用液相剥离法制备了二维二硫化钼分散液，并研究了其形貌结构特征。然后，利用强电解质对于二维二硫化钼分散液的凝聚作用，实现了二维二硫化钼粉体的简单高效、易规模化制备。凝聚过程中，二维二硫化钼并没有发生不可逆的团聚，仍然保持超薄的纳米片结构、高的结晶度。二维二硫化钼的横向尺寸小于200nm，平均横向尺寸为110.4nm，层数在2-3层。因不规则凝聚形成的疏松结构，二维二硫化钼粉体能够快速的分散在N-甲基吡咯烷酮、固体润滑脂、低沸点极性溶剂（纯水、甲醇、乙醇、异丙醇）中。同时，二维二硫化钼粉体可以根据需要以不同浓度重新分散，有利于二维二硫化钼的应用。因具有优异的分散性和丰富的边缘活性位点，二维二硫化钼粉体在芬顿反应中表现出优异且稳定的催化性能，有效提高了芬顿反应效率。 2.利用溶剂热法对二硫化钼进行表面改性处理，实现了在低沸点极性溶剂中液相剥离制备二维二硫化钼。改性二硫化钼表面的带负电荷亲水性团簇显著提高了二硫化钼在低沸点溶剂中的分散性和剥离效率。研究了溶剂热改性条件对二硫化钼亲水性和液相剥离效率的影响和机理。制备的二维二硫化钼具有高的结晶度，横向尺寸小于160nm，层数在3层左右。考察了不同低沸点极性溶剂中二硫化钼的剥离效率和形貌结构。剥离效率从高到低依次为:异丙醇、乙醇、甲醇、纯水。研究了二维二硫化钼异丙醇分散液直接应用于电解水析氢催化剂的性能。当电流密度在10mA·cm-2时，对应的起始过电位为-0.42mV，且具有良好的催化稳定性。该方法为制备二维二硫化钼低沸点分散液提供了新途径。 3.液相剥离法一步原位制备二维二硫化钼/零维碳复合材料。首先利用水热炭化法得到了碳球和碳量子点。它们的平均尺寸分别为40.6nm和2.1nm，因表面含有大量亲水性官能团具有优异的水分散性。以碳球和碳量子点分别作为固体分散剂在纯水中液相剥离二硫化钼，一步原位制备了二维二硫化钼/碳球和二维二硫化钼/碳量子点复合材料。研究了pH值、二硫化钼初始浓度、剥离时间、碳球及碳量子点浓度对液相剥离二硫化钼的影响以及复合材料的结构形貌。二维二硫化钼的横向尺寸小于320nm，层数在6层以下。二维二硫化钼/零维碳复合材料在水中具有良好的分散稳定性。实验和理论计算证明，二维二硫化钼能够与零维碳上的疏水区域自发稳定结合。亲水基团（羧基、羟基）在水中发生电离，使得二硫化钼表面电荷增加。片间强的静电斥力使其能够稳定存在。同时以零维碳作为固体分散剂液相剥离得到了缺陷少的石墨烯和二维二硫化钨，证明了这一技术具有普适性。二维二硫化钼/碳量子点复合材料作为吸附剂能够有效地吸附亚甲基蓝。这是一种简单高效且可规模化制备二维二硫化钼/零维碳复合材料的新方法。 4.以氧化石墨作为固体分散剂，在纯水中液相剥离一步原位制备了二维二硫化钼/氧化石墨烯复合材料。研究了pH值、二硫化钼初始浓度和尺寸、剥离时间、氧化程度对液相剥离的影响。氧化程度对于有效的剥离和分散二硫化钼起到了非常重要的作用。表征分析了二维二硫化钼/氧化石墨烯复合材料的形貌结构和组成。二维二硫化钼均匀地附着在氧化石墨烯的表面，平均横向尺寸为180.3nm，平均层数为9层。利用第一性原理，研究了氧化石墨能够分散二硫化钼的机理，结果证明:氧化石墨的疏水区域能够自发的与二硫化钼结合，而亲水区域与二硫化钼结合力较弱。将复合材料还原、真空抽滤后制备了具有多孔结构的二维二硫化钼/还原氧化石墨烯复合薄膜。用作固态超级电容器电极材料时，表现出了优越的电化学性能。
功能材料;二维二硫化钼;碳材料;液相剥离法;微观结构;催化性能;电化学性能
北京化工大学
博士
化学工程与技术
孟洪
2020
中文
TB34
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）