富勒烯和纳米管结构二硫化钼研究进展.docVIP

富勒烯和纳米管结构二硫化钼的 研究进展 高宾 ,赵鹏 摘 要:简要介绍了无机富勒烯结构二硫化钼 IF - MoS2 纳米粒子和纳米管的发现、结构特点和形成原因,详细阐述了IF - MoS2纳米粒子和纳米管的制备方法和形成机理,旨在指出它们具有重要的科学研究价值和潜在的应用价值。 1970年,日本的大泽映二在《化学》杂志上撰文指出:由SP2 键结合可以形成球形分子,并准确地画出了C60的结构图。但因系日文期刊,当时并未引起人们的重视。1985年,美国莱斯大学的R. E. Small2ye和英国萨塞克斯大学的H. W. Kroto等人在用质谱仪研究激光蒸发石墨的实验中,首次发现了含有60个碳原子的原子团簇,他们在《Nature》杂志上发表了他们的结果,宣布了碳的第3种同素异型体C60的发现。1991 年,日本NEC电子公司的Iijimas博士用高分辨透射电子显微镜观察电弧蒸发石墨后在石墨电极上形成硬质沉淀物时,发现了碳纳米管。受此启发,以色列魏兹曼科学院科学家R.Tenne领导的研究小组于1992 年发现了具有富勒烯结构的WS2 纳米颗粒和纳米管,这一重大发现揭开了无机富勒烯 Inorganic Fullerene,简称IF 纳米材料领域的研究序幕。1993年,他们又用相似的方法合成了IF - MoS2 纳米颗粒与纳米管。常温下石墨是碳的稳定结构形式,但石墨的纳米簇是不稳定的,在一定条件下能够卷曲形成富勒烯结构纳米粒子和纳米管。这是由于石墨纳米簇 图1 是由六边形网状结构的石墨层沿c轴的堆叠,具有大量的以SP2 键结合的边缘碳原子,这些碳原子的大量悬空键使纳米簇表面能很大,致使纳米簇不稳定,容易受外界条件的影响而发生卷曲,形成稳定的C60结构。在石墨的六边形网状结构中引入五边形或七边形形成C60结构,需要克服石墨层弯曲的动力学障碍,这就需要加热石墨纳米簇或用其他方法诱使其卷曲。 图1　石墨纳米簇结构图 和石墨结构相似,MoS2 层状化合物的构成是MoS2 层沿c轴的堆叠,每一MoS2 层包含l个Mo原子层,Mo原子层和2个S原子层形成三明治夹层结构。层内Mo - S和Mo - Mo之间是强的共价键结合,而层间S - S之间是弱的范德华力结合。图2是MoS2 纳米簇的结构示意图,可以看出其内部 bulk 原子和边缘 rim 原子的健价是不同的,内部的每个金属Mo原子和6个S原子成键形成三棱镜配位结构;每个S原子和3个金属Mo原子成键形成三棱锥结构。但边缘的金属Mo原子只和4个S原子成键, S原子只和2个Mo原子成键。由于边缘具有悬空键,单个MoS2 层的能量比较高,因此,单个MoS2层是不稳定的,加上MoS2 层之间靠弱的S-S键结合,MoS2 纳米簇是不稳定的,容易受外界的影响而自动卷曲形成能量较低的、稳定的富勒烯结构纳米粒子和纳米管。图3是富勒烯结构MoS2 纳米粒子 a 和MoS2 纳米管 b 的透射电子显微镜照片,可以看出,富勒烯结构纳米粒子是由不同半径的同心圆构成的多层结构,纳米管是由一些同轴不同半径的空心圆柱构成的管状结构。在卷曲形成笼状或管状结构的开始阶段是边缘化学键的翘起,这需要克服原子间的弹性应力,因此,各种形式的能量供给是诱使IF - MoS2 纳米粒子和纳米管形成的条件之一。如前所述,MoS2 层状化合物的构成是MoS2 层沿c轴的堆叠,MoS2 层之间的相互作用力比层内的共价键结合力小得多, 这意味着层间S - S键长对MoS2层的卷曲、折叠比较敏感, 当折叠、卷曲形成IF- MoS2 纳米粒子和纳米管时有微小的变化。R.Tenne发现合成的IF - MoS2 纳米粒子的层间距比传统的2H - MoS2 层间距膨胀了2% , 这一般认为是由于卷曲发生时层间应力减小或发生层错缺陷所致。 图2 MoS2 纳米簇结构图 图3 IF - MoS2 纳米粒子 a 和纳米管 b 的高分辨透射电镜照片 1　IF - MoS2 纳米粒子和纳米管的制备方法 IF - MoS2 纳米粒子和纳米管一经发现,就因其独特的微观结构、物理性能和在众多领域的潜在应用而引起了全世界科学家的广泛关注,为了研究其更多的潜在应用,世界上许多研究小组致力于寻求合成IF - MoS2 纳米粒子和纳米管的有效方法,现在已有很多方法可以合成IF - MoS2 纳米粒子和纳米管,这些方法主要为两类,一类是合成过程是在远离平衡条件下;另一类是合成过程始终保持在平衡条件附近。 1. 1　直接加热法 W. K. Hus等人在Ar/H2 S气氛中直接加热2H- MoS2 粉制备了结晶完好的MoS2 纳米管。所用的实验装置为用相距5 cm 的不锈钢电极加热Mo箔,电极用水冷却。将纯度为99%的2H - MoS2 粉20 mg溶解于20 mL