(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二硫化モリブデンを含むバルク二次元材料を提供するステップと、
ヨウ化リチウムを提供するステップと、
前記ヨウ化リチウムおよび前記バルク二次元材料を溶媒中に懸濁させて、溶液を形成するステップと、
前記溶液をマイクロ波エネルギー源に曝露して、溶媒熱反応を開始して、リチウム化バルク二次元材料を形成するステップと、
前記溶媒熱反応の後に前記リチウム化バルク二次元材料を剥離して、二次元層状材料を形成するステップとを含む、二次元ナノ材料を形成するプロセス。
【請求項２】
前記溶媒は、無水ヘキサンである、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記曝露は、５〜２０分である、請求項１又は２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記溶媒熱反応は、前記溶液を１５０〜２５０℃の温度に上昇させることを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項５】
前記溶媒熱反応の後に前記リチウム化バルク二次元材料を冷却し、ろ過するステップを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項６】
前記リチウム化バルク二次元材料を剥離するステップは、前記リチウム化バルク二次元材料を熱水に浸漬することを含み、リチウムが前記水と反応して、水酸化リチウムおよび水素ガスを形成する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項７】
剥離された前記リチウム化バルク二次元材料を遠心分離するステップをさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ナノサイズの二次元材料を形成するためのプロセスおよび当該プロセスによって製造される材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の分野
二次元（２Ｄ）材料は、過去１０年間で非常に注目されてきた。グラフェンが断然最も集中して研究されてきた２Ｄ材料であるが、遷移金属ジカルコゲニド類、特に二硫化モリブデンは、触媒、エネルギー貯蔵材料、電極材料および電子デバイスにおけるものを含む多くの見込みのある用途のため、かなりの関心が集められている。しかし、先行技術における最も大きな難題の１つは、２Ｄ材料をどのように効率的に環境的に安全な方法で大量に調製するかにある。
【０００３】
ｎ−ブチルリチウム（ｎ−Ｂｕ−Ｌｉ）を用いた化学的Ｌｉインターカレーションは、層状化合物を剥離し、２Ｄナノシートを製造できることが当該技術分野で知られている。しかし、この材料の使用には時間の掛かる手順が必要である。さらに、ｎ−Ｂｕ−Ｌｉは、周囲条件に非常に敏感であり、自燃性の危険な化学物質である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、プロセスにおいて自燃性材料を利用しない、ナノシートまたはナノサイズの材料などの２Ｄ材料を形成する改善されたプロセスが当該技術分野において必要とされている。さらに、時間が掛からず、環境的に安全に材料を大量に製造し得るプロセスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
一局面においては、バルク二次元材料を提供するステップと、ヨウ化リチウムを提供するステップと、ヨウ化リチウムおよびバルク二次元材料を溶媒中に懸濁させて、溶液を形成するステップと、溶媒熱反応を開始して、リチウム化バルク二次元材料を形成するステップとを含む、二次元ナノ材料を形成するプロセスが開示される。
【０００６】
別の局面においては、バルク二次元材料を提供するステップと、ヨウ化リチウムを提供するステップと、ヨウ化リチウムおよびバルク二次元材料を溶媒中に懸濁させて、溶液を形成するステップと、溶媒熱反応を開始して、リチウム化バルク二次元材料を形成するステップと、溶媒熱反応の後にリチウム化バルク二次元材料を剥離して、二次元層状材料を形成するステップとを含む、二次元ナノ材料を形成するプロセスが開示される。
【０００７】
さらなる局面においては、バルク二次元材料を提供するステップと、ヨウ化リチウムを提供するステップと、ヨウ化リチウムおよびバルク二次元材料を溶媒中で懸濁させて、溶液を形成するステップと、溶媒熱反応を開始し、１５０〜２５０℃の温度で反応させて、リチウム化バルク二次元材料を形成するステップと、溶媒熱反応の後にリチウム化バルク二次元材料を剥離して、二次元層状材料を形成するステップとを含む、二次元ナノ材料を形成するプロセスが開示される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】反応時間に対するヨウ素濃度のグラフである。
【図２】反応温度に対するヨウ素濃度のグラフである。
【図３Ａ】初期ＭｏＳ２のＴＥＭ画像である。
【図３Ｂ】明細書に記載されるようなプロセスによって製造された剥離後のＭｏＳ２のＴＥＭ画像である。
【図４】剥離後のＭｏＳ２および初期ＭｏＳ２のラマンスペクトルである。
【図５】バルクＭｏＳ２および剥離後ＭｏＳ２のＸＲＤパターンである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
好ましい実施形態の詳細な説明
二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を含む遷移金属ジカルコゲニド類などの二次元（２Ｄ）材料は、触媒、エネルギー貯蔵材料、電極材料および電子デバイスにおけるものなど多くの用途において利用され得る。このような材料を形成するためのプロセスには、揮発性材料の使用が必要であることが多く、これらの揮発性材料は、複雑な反応機構を必要とし、長い反応時間を必要とする。二次元（２Ｄ）材料の形成のために先行技術において利用されてきたこのような材料の１つには、ｎ−Ｂｕ−Ｌｉが含まれ、これは周囲条件に非常に敏感であり、自燃性である。
【００１０】
ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）は、大気中で非常に安定であり、自燃性でない。しかし、ＬｉＩを用いたＬｉインターカレーション反応は非常に遅いため、室温で検出されない。ＬｉＩとＭｏＳ２などの２Ｄバルク材料との反応を加速させるためには、高温溶媒熱反応が利用され得る。この溶媒熱反応は、マイクロ波を利用した溶媒熱反応であり得る。この反応は、以下のように表されることができる。
【００１１】
【化１】
0006392195.tif 000002
【００１２】
このプロセスは、ヘキサンなどの溶媒中でＩ２の濃度を測定することによって監視されることができる。
【００１３】
一局面では、バルク二次元材料を提供するステップと、ヨウ化リチウムを提供するステップと、ヨウ化リチウムおよびバルク二次元材料を溶媒中に懸濁させて、溶液を形成するステップと、溶媒熱反応を開始して、リチウム化バルク二次元材料を形成するステップとを含む、二次元ナノ材料を形成するプロセスが開示される。
【００１４】
バルク２Ｄ材料は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を含む遷移金属ジカルコゲニド類を含み得る。プロセスには、ヘキサンを含むさまざまな溶媒が利用され得る。
【００１５】
一局面では、溶媒熱反応は、マイクロ波を利用したプロセスであってもよく、このプロセスでは、溶液が特定の期間中マイクロ波エネルギー源に曝露されて、溶液の温度が所望の温度範囲に上昇される。一局面では、溶液は、マイクロ波エネルギーに５〜２０分間曝露され得る。温度は、１５０〜２５０℃の温度に上昇され得る。一局面では、反応温度は、２００℃辺りであり得る。リチウム化バルク二次元材料は、溶媒熱反応の後に冷却され、ろ過され得る。
【００１６】
リチウム化後、プロセスは、リチウム化バルク二次元材料を剥離することを含み得る。剥離するステップは、リチウム化バルク二次元材料を熱水に浸漬することを含み得、リチウムが水と反応して、水酸化リチウムおよび水素ガスを形成し、２Ｄナノシートなどの２Ｄナノ材料が形成される。プロセスはさらに、剥離されたリチウム化二次元材料を遠心分離して、当該材料を水から分離するステップをさらに含み得る。
【実施例】
【００１７】
ＭｏＳ２ナノシートを次の手順に従って調製した。１５ｍｌの無水ヘキサンを３０ｍｌ石英管に入れた。０．１ｇ  ＭｏＳ２および０．１６６ｇ  ＬｉＩをヘキサン中に懸濁させた。この溶液をアントンパール社製マイクロ波反応器に設置し、以下の表に詳しく示されるように、溶液をさまざまな条件で溶媒熱反応に供した。
【００１８】
【表１】
0006392195.tif 000003
【００１９】
反応後、リチウム化ＭｏＳ２および残留ＬｉＩの混合物をろ過によって回収した。ＭｏＳ２とＬｉＩとの反応は、紫外可視スペクトル分析によりヘキサン中のＩ２の濃度を測定することによって監視した。リチウム化ＭｏＳ２を熱水に浸漬し、リチウム化ＭｏＳ２を剥離し、ＬｉＩ不純物を除去した。剥離後ＭｏＳ２を遠心分離によって回収した。
【００２０】
図１を参照して、異なる条件でのリチウム化反応を詳しく示す、反応時間に対するＩ２濃度を示すグラフが示される。Ｉ２濃度は紫外可視分光法によって測定した。図１に見られるように、反応時間を延ばすとより高いＩ２濃度が得られ、これは、バルク２Ｄ材料のより高いリチウム化を示唆している。
【００２１】
図２を参照して、異なる条件でのリチウム化反応を詳しく示す、反応温度に対するＩ２濃度を示すグラフが示される。Ｉ２濃度は、紫外可視分光法によって測定した。図２に見られるように、反応温度が１７５〜２２５℃の範囲であり、２００℃近傍であるとより高いＩ２濃度が得られ、これは、バルク２Ｄ材料のより高いリチウム化を示唆している。
【００２２】
上述のように、リチウム化ＭｏＳ２を熱水中で剥離した。液体剥離機構は、金属Ｌｉを含有するリチウム化ＭｏＳ２を含み、金属Ｌｉが水と反応してＬｉＯＨを形成し、Ｈ２ガスを生成し得る。試験中、気泡が観察された。生成されたＨ２ガスは層をさらに押し離す。
【００２３】
図３Ａおよび図３Ｂを参照して、初期材料のＴＥＭ画像と、リチウム化され、剥離された材料のＴＥＭ画像とがそれぞれ示される。剥離後、ナノサイズの層状ＭｏＳ２シートが得られた。
【００２４】
原子的に薄いＭｏＳ２ナノシートの層数を特定するために、信頼でき、簡便な機能として面内Ｅ２ｇモードおよび面外Ａ１ｇモードのラマン周波数を使用することができる。０（バルク）時および剥離時に得られた単層および数層からなるＭｏＳ２ナノシートを、図４に示されるように、ラマン分光法を用いて特徴付けた。初期材料のスペクトルは、３８２ｃｍ−１（Ｅ２ｇモード）および４０７ｃｍ−１（Ａ１ｇモード）辺りで２つのピークを示している。剥離後のサンプルにおける２つのモードは、３８４ｃｍ−１および４０６ｃｍ−１にそれぞれ移動した。これら２つのモード間の距離は、層数に対して明確に規定された依存性を示している。ＭｏＳ２ナノシートの平均厚さは、約３層であった。
【００２５】
図５を参照して、バルクＭｏＳ２および剥離後ＭｏＳ２のＸＲＤパターンが示される。剥離後ＭｏＳ２のピーク強度は大きく減少しており、これは、剥離後ＭｏＳ２の粒径が減少したことを示唆している。
【００２６】
本発明は、上記の典型的な例に制限されない。記載された実施例は、発明の範囲を限定することを意図するものではない。これらの実施例になされる変更、構成要素の他の組合せ、および他の使用が当業者に想定されるであろう。発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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