[发明专利]一种二硫化钽薄膜及其制备方法

说明书

本申请提供的二硫化钽薄膜的制备方法，将2H‑TaS₂纳米片分散液与预酸化处理的BC或ANFs溶液混合成TaS₂/BC或TaS₂/ANFs均匀分散液，将TaS₂/BC或TaS₂/ANFs复合分散液通过真空抽滤制备复合薄膜；或者将TaS₂纳米片分散液通过真空抽滤制备范德华力作用的自支撑纯TaS₂薄膜，上述制备方法制备得到的二硫化钽薄膜，具有超低的孔隙率，高的拉伸强度、杨氏模量、韧性、电导率和电磁屏蔽效能，方法简单、绿色环保，可大规模制备。

技术领域

本申请涉及纳米材料制备技术领域，特别涉及一种二硫化钽薄膜及其制备方法。

背景技术

过渡金属二硫属化物(TMD)是一类由过渡金属元素和硫族元素组成的层状二维材料，它们通过弱范德华力(vdW)相互作用。(Nat.Nanotechnol.2012,7,699；Chem.Soc.Rev.2015,44,2702；Adv.Mater.2021,33,2004557)TMD具有广泛的电性能，如半导体(2H-MoS₂、1T-TaS₂)、半金属(1T-MoTe₂、1T-WTe₂、1T-TiSe₂)和金属(2H-NbS₂、1T-MoS₂、2H-TaS₂)。(Science 2011,331,568)不同的晶体结构、层数、堆叠顺序、缺陷控制和独特的二维形貌使TMD材料具有优异的物理、化学、电子和光学性能，在电化学、传感器、超级电容器和锂离子电池领域引起了重要关注。(J.Am.Chem.Soc.2017,139,4623；Joule 2019,3,338；Adv.Mater.2018,30,1705916)二硫化钽(TaS₂)是一种流行的TMDs材料，其中2H-TaS₂具有电荷密度波(CDW)相变(TCDW＝75K)和超导性(Tc＝0.8K)的金属行为。(npj QuantumMater.2017,2,1；Small 2020,16,1901901)其独特的电气性能使其成为探索导电性对EMI屏蔽性能影响的理想材料。众所周知，高质量的2D材料必须经过剥离处理才能充分发挥其潜力。2H-TaS₂可通过高沸点溶剂、(J.Phys.Chem.C 2016,120,3929)电化学、(Nat.Protoc.2022,17,358)正丁基锂插层、(J.Am.Chem.Soc.2017,139,9019)和机械研磨、(Adv.Funct.Mater.2020,30,2004139)等进行剥离。然而，这些方法存在效率低、重复性差和对环境极端敏感等缺点，更严重的是，堆叠的纳米片将具有较差的电子迁移率，并由于溶剂残留而显著降低宏观电导率。由于缺乏表面极性官能团(如-F、＝O，-OH)，TMDs纳米片只能通过vdW重新堆叠。无法通过氢键或共价键在纳米片和含有极性基团的材料之间架桥，获得高性能的宏观结构。此外，纳米片的横向尺寸也对薄膜制备有重要影响，然而，生产高质量和大规模纳米片通常产量低，需要付出巨大努力。柔性、高强度和高导电TMDs薄膜的开发仍然是一个挑战，限制了其在电子设备领域的应用。

因此，需要开发TaS₂纳米片制备新方法，获得具有大的横向尺寸和少层数的高质量TaS₂纳米片，并且能够保持2H-TaS₂金属态的电性能，有效增强TaS₂纳米片层间界面强度，消除层间孔隙，从而大幅度提升TaS₂自支撑薄膜的机械和电学性能。此外，通过将静电相互作用将TaS₂纳米片与细菌纤维素(BC)或芳纶纳米纤维(ANFs)复合，制备具有高机械性能、良好电学性能的复合薄膜。目前，尚未发现超低孔隙率、超高机械性能和电导率和电磁屏蔽效能的柔性纯TaS₂自支撑薄膜的相关文献和专利报道，高机械强度和电导率和电磁屏蔽效能的TaS₂纳米片与细菌纤维素(BC)或芳纶纳米纤维(ANFs)复合薄膜的相关报道也未发现。

发明内容