一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及纳米材料电化学领域，特别涉及一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用。

背景技术

过渡金属硫化物是一类与石墨烯相似的，具有层状结构的二维材料，其具有独特的能带结构且矿储丰富。过渡金属硫化物的化学式为XS

现阶段过渡金属硫化物在电化学研究领域的发展主要受限于较弱的电化学反应能力。过渡金属硫化物具有可调控的物理化学特性，当微纳观结构发生改变时，其物理化学特性也会随之改变，进而实现更剧烈的电化学反应。因此，针对过渡金属硫化物提出多功能型纳米结构是非常必要的，有助于提升过渡金属硫化物的电化学反应能力，推动其在电化学技术领域进一步的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种过渡金属硫化物纳米洋葱、制备方法及其应用，以解决背景技术中所述的过渡金属硫化物电化学反应活性较差的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种过渡金属硫化物纳米洋葱，由一种或多种过渡金属硫化物完整的纳米球壳同心层层复合生长而成，纳米球壳同心生长的核心为金属单质纳米球，纳米球壳的直径为5nm至400nm，复合层数为1层至100层，整体厚度为0.5nm至110nm，外层球壳需比其内侧临近球壳的直径大1.2nm至1.5nm，纳米球壳之间依靠范德华力结合。

进一步的，所述纳米球壳同心生长的核心即金属单质纳米球，直径为4.4nm至100nm，所述金属单质纳米球可同时提升纳米洋葱的导电性、在强酸或强碱电解液中的结构稳定性和机械强度，核心与纳米球壳在异质界面上依靠范德华力结合。

进一步的，通过控制金属单质纳米球核心的粒径调控层层复合生长的过渡金属硫化物纳米球壳的曲率。

本发明还提供一种过渡金属硫化物纳米洋葱的制备方法，整个制备过程是在腔体中完成，选取与目标纳米洋葱相同化学计量成分的过渡金属硫化物靶材，高能脉冲激光的照射使靶材在照射光斑处的温度迅速上升至蒸发温度以上，进而使靶材中的组分元素或化合物一同蒸发为高密度等离子体，高密度等离子体在高真空环境中会定向区域化膨胀发射，在沉积到基底上之前转变为不同粒径和层数的过渡金属硫化物纳米洋葱；脉冲激光源可选用准分子氟化氪激光源或YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为40～280mJ mm

本发明还提供一种过渡金属硫化物纳米洋葱的应用，可生长在玻碳电极、石墨片、碳布、碳纸、氟掺杂氧化锡镀膜玻片、碳纳米材料、金属箔材或金属泡沫上用作电催化析氢、析氧或氧还原催化剂。

进一步的，所述的应用还包括，可生长在抗弯刚度小于纳米洋葱薄膜抗弯刚度的金属箔材或聚合物薄膜上用作具有高频率(＞1Hz)、高耐久性(20,000个循环后驱动性能保持在90％以上)、可在液态环境中服役的电化学驱动器。

进一步的，所述的应用还包括，可从沉积基底上机械剥落下制成涂层、悬浊层或粉末用作亲(酸性)液材料。

进一步的，所述的应用还包括，可从沉积基底上机械剥落下制成粉末用作导电增强结构。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)在保证二维过渡金属硫化物原有独特的物理化学特性的前提下，同步提升了其参与电化学反应时的导电性、化学反应活度和机械强度，进而推动了其在多种电化学应用领域中的发展；

(2)该纳米洋葱制备工艺简单、产品的循环稳定性和耐久性强且成本低廉。

附图说明

图1为发明纳米洋葱制备过程示意图；

图2为二硫化钨纳米洋葱的高清透射电子显微镜图；

图3为利用扫描透射电子显微镜拍摄到的二硫化钨纳米洋葱中存在的原子空位和缺陷；

图4为二硫化钨纳米洋葱层间结构的高清透射电子显微镜图；

图5为二硫化钨纳米洋葱析氢电催化剂和现有钨基析氢电催化剂的线性扫描伏安法曲线对比图；

图6为二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器和现有电化学驱动器响应速率的对比图；

图7为二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器的驱动位移随工作频率的变化规律以及和现有电化学驱动器驱动性能的对比图；

图8为二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器的耐久性测试结果；

图9为二硫化钼纳米洋葱亲液材料和二硫化钼实心纳米颗粒亲液材料的光学接触角对比图；

图10为二硫化钨纳米洋葱和二硫化钨实心纳米颗粒的导电性对比图；

图11为二硫化钼纳米洋葱和二硫化钼实心纳米颗粒在纳米压痕测试中的载荷—位移曲线。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为280mJ mm

将取出的材料裁剪为1×1cm

实施例2：

如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为40mJ mm

将取出的材料用作电化学驱动材料，如图6所示，相较于碳纳米材料、聚合物、MXene、黑磷和传统叠片式过渡金属硫化物电化学驱动器，二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器具有迄今为止最快的响应速率(0.24mm

实施例3：

如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为200mJ mm

将取出的材料用作电化学驱动材料，如图7所示，传统电化学驱动器的驱动位移会随工作频率的提升迅速减小，当工作频率达到1Hz及以上时，电化学驱动效应就变得非常微弱，这对液态环境工作的电化学驱动器而言尤其明显。但是，二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器的驱动位移会随工作频率的提升先增大后减小，在4Hz达到最优驱动效果；此外，在工作频率提升至30Hz时，其依然能保持明显的驱动效应，足以证明其出色的高频驱动性能。

实施例4：

如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为150mJ mm

将取出的材料用作电化学驱动材料，如图8所示，二硫化钨纳米洋葱电化学驱动器展现出了出色的循环耐久性，其在23,000个驱动循环后依然能保持90％以上的驱动效应。

实施例5：

如图1所示，选取二硫化钼靶材；激光源选用YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为50mJ mm

用手术刀片将二硫化钼纳米洋葱从硅片基底上机械剥落至无水乙醇中形成悬浊液，用胶头滴管抽取悬浊液滴在氟掺杂氧化锡镀膜玻片上，放入60℃的真空干燥箱烘干4小时，取出用作亲液材料，如图9所示，2μL、0.5mol稀硫酸在二硫化钼纳米洋葱上的光学接触角仅为22°，这表明其比实心颗粒的亲(酸性)液特性出色很多。

实施例6：

如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用YAG激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为120mJ mm

将取出的材料用作导电增强材料，如图10所示，在导电原子力显微镜测试中，当施加一个40mV的激励电压后，二硫化钨纳米洋葱的导电率是实心纳米颗粒的4.5倍，足以证明其提升了二硫化钨的导电性。

实施例7：

如图1所示，选取二硫化钨靶材；激光源选用准分子氟化氪激光源，通过调控聚焦位置和激光能量实现能量密度为240mJ mm

如图11所示，通过纳米压痕测试可知，二硫化钨纳米洋葱的杨氏模量是实心纳米颗粒的5倍以上，这表明金属单质纳米球核心有助于提升机械强度。

以上所述的实施方式，仅为本发明较佳的具体实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。