RESEARCH ARTICLE

Microemulsion-mediated hydrothermal synthesis of flower-like MoS2 nanomaterials with enhanced catalytic activities for anthracene hydrogenation

  • Yuxia Jiang 1,2 ,
  • Donge Wang 1 ,
  • Zhendong Pan 1 ,
  • Huaijun Ma 1 ,
  • Min Li 1,2 ,
  • Jiahe Li 1,2 ,
  • Anda Zheng 1,2 ,
  • Guang Lv 1,2 ,
  • Zhijian Tian , 1,3
Expand
  • 1. Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. State Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China

Received date: 02 May 2017

Accepted date: 06 Jul 2017

Published date: 26 Feb 2018

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany

Abstract

Flower-like intercalated MoS2 nanomaterials have been successfully synthesized via a microemulsion-mediated hydrothermal (MMH) method, and characterized by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, element analysis, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, thermogravimetric analysis, and Fourier transform infrared spectroscopy in detail. Their catalytic performance for anthracene hydrogenation was evaluated using a slurry-bed batch reactor with an initial hydrogen pressure of 80 bar at 350 °C for 4 h. The intercalated MoS2 nanoflowers synthesized from Na2MoO4 (MoS2-S) and H2MoO4 (MoS2-A) as molybdenum precursors have diameters of about 150 and 50 nm, respectively. MoS2 nanosheets on MoS2-S and MoS2-A possess stacking layer numbers of 5–10 and 2–5, and slab lengths of about 15 and 10 nm, respectively. The interlayer distances of MoS2-S and MoS2-A are both enlarged from 0.62 nm to about 0.95 nm due to the intercalation of NH4+ and surfactant molecules. The MoS2 nanoflowers have high catalytic activities for anthracene hydrogenation. The selectivity for octahydroanthracene, a deeply hydrogenated product, over MoS2-A is 89.8%, which is 31.0 times higher than that over commercial bulk MoS2. Fully hydrogenated product (perhydroanthracene) was also detected over MoS2 nanoflowers with a selectivity of 3.7%. The enhanced hydrogenation activities of MoS2 nanoflowers can be ascribed to the high exposure of catalytic active sites, resulting from the smaller particle size, fewer stacking layer, shorter slab length and enlarged interlayer distance of MoS2 nanoflowers compared with commercial bulk MoS2. In addition, a possible growth mechanism of MoS2 nanoflowers synthesized via the MMH method was proposed.

Cite this article

Yuxia Jiang , Donge Wang , Zhendong Pan , Huaijun Ma , Min Li , Jiahe Li , Anda Zheng , Guang Lv , Zhijian Tian . Microemulsion-mediated hydrothermal synthesis of flower-like MoS2 nanomaterials with enhanced catalytic activities for anthracene hydrogenation[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2018 , 12(1) : 32 -42 . DOI: 10.1007/s11705-017-1677-4

Acknowledgements

The work was financially supported by the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA07020300) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21303186).
1
Hershfinkel M, Gheber L A, Volterra V, Hutchison J L, Margulis L, Tenne R. Nested polyhedra of MX2 (M= W, Mo; X= S, Se) probed by high-resolution electron microscopy and scanning tunneling microscopy. Journal of the American Chemical Society, 1994, 116(5): 1914–1917

DOI

2
Chhowalla M, Shin H S, Eda G, Li L J, Loh K P, Zhang H. The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets. Nature Chemistry, 2013, 5(4): 263–275

DOI

3
Bano S, Ahmad S, Woo S, Saleem F. Heavy oil hydroprocessing: Effect of nanostructured morphologies of MoS2 as catalyst. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2015, 114(2): 473–487

DOI

4
Deng D, Novoselov K S, Fu Q, Zheng N, Tian Z, Bao X. Catalysis with two-dimensional materials and their heterostructures. Nature Nanotechnology, 2016, 11(3): 218–230

DOI

5
Daage M, Chianelli R R. Structure-function relations in molybdenum sulfide catalysts—the rim-edge model. Journal of Catalysis, 1994, 149(2): 414–427

DOI

6
Zhang N, Li H, Yu K, Zhu Z. Differently structured MoS2 for the hydrogen production application and a mechanism investigation. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 685: 65–69

DOI

7
Iwata Y, Araki Y, Honna K, Miki Y, Sato K, Shimada H. Hydrogenation active sites of unsupported molybdenum sulfide catalysts for hydroprocessing heavy oils. Catalysis Today, 2001, 65(2): 335–341

DOI

8
Li Z, He J, Wang H, Wang B, Ma X. Enhanced methanation stability of nano-sized MoS2 catalysts by adding Al2O3. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2015, 9(1): 33–39

DOI

9
Salvatore G A, Münzenrieder N, Barraud C, Petti L, Zysset C, Büthe L, Ensslin K, Tröster G. Fabrication and transfer of flexible few-layers MoS2 thin film transistors to any arbitrary substrate. ACS Nano, 2013, 7(10): 8809–8815

DOI

10
Zheng J, Zhang H, Dong S, Liu Y, Tai Nai C, Suk Shin H, Young Jeong H, Liu B, Ping Loh K. High yield exfoliation of two-dimensional chalcogenides using sodium naphthalenide. Nature Communications, 2014, 5: 2995

DOI

11
Nath M, Govindaraj A, Rao C N R. Simple synthesis of MoS2 and WS2 nanotubes. Advanced Materials, 2001, 13(4): 283–286

DOI

12
Lee Y H, Zhang X Q, Zhang W, Chang M T, Lin C T, Chang K D, Yu Y C, Wang J T W, Chang C S, Li L J, Lin T W. Synthesis of large-area MoS2 atomic layers with chemical vapor deposition. Advanced Materials, 2012, 24(17): 2320–2325

DOI

13
Sheng B, Liu J, Li Z, Wang M, Zhu K, Qiu J, Wang J. Effects of excess sulfur source on the formation and photocatalytic properties of flower-like MoS2 spheres by hydrothermal synthesis. Materials Letters, 2015, 144: 153–156

DOI

14
Liu M, Li X, Xu Z, Li B, Chen L, Shan N. Synthesis of chain-like MoS2 nanoparticles in W/O reverse microemulsion and application in photocatalysis. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(30): 3862–3866

DOI

15
Gong H, Zheng F, Li Z, Li Y, Hu P, Gong Y, Song S, Zhan F, Zhen Q. Hydrothermal preparation of MoS2 nanoflake arrays on Cu foil with enhanced supercapacitive property. Electrochimica Acta, 2017, 227: 101–109

DOI

16
Ye L, Wu C, Guo W, Xie Y. MoS2 hierarchical hollow cubic cages assembled by bilayers: One-step synthesis and their electrochemical hydrogen storage properties. Chemical Communications, 2006, 45(45): 4738–4740

DOI

17
Lu X, Lin Y, Dong H, Dai W, Chen X, Qu X, Zhang X. One-step hydrothermal fabrication of three-dimensional MoS2 nanoflower using polypyrrole as template for efficient hydrogen evolution reaction. Scientific Reports, 2017, 7: 42309

DOI

18
Akram H, Mateos-Pedrero C, Gallegos-Suárez E, Guerrero-Ruíz A, Chafik T, Rodríguez-Ramos I. Effect of electrolytes nature and concentration on the morphology and structure of MoS2 nanomaterials prepared using one-pot solvothermal method. Applied Surface Science, 2014, 307(2): 319–326

DOI

19
Li M, Wang D, Li J, Pan Z, Ma H, Jiang Y, Tian Z, Lu A. Surfactant-assisted hydrothermally synthesized MoS2 samples with controllable morphologies and structures for anthracene hydrogenation. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(3): 597–606

DOI

20
Yan Y, Xia B, Ge X, Liu Z, Wang J, Wang X. Ultrathin MoS2 nanoplates with rich active sites as highly efficient catalyst for hydrogen evolution. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(24): 12794–12798

DOI

21
Chikan V, Kelley D F. Size-dependent spectroscopy of MoS2 nanoclusters. Journal of Physical Chemistry B, 2002, 106(15): 3794–3804

DOI

22
Yu H, Liu Y, Brock S L. Synthesis of discrete and dispersible MoS2 nanocrystals. Inorganic Chemistry, 2008, 47(5): 1428–1434

DOI

23
Xiong Y, Xie Y, Li Z, Li X, Zhang R. Micelle-assisted fabrication of necklace-shaped assembly of inorganic fullerene-like molybdenum disulfide nanospheres. Chemical Physics Letters, 2003, 382(1-2): 180–185

DOI

24
Marchand K, Tarret M, Lechaire J, Normand L, Kasztelan S, Cseri T. Investigation of AOT-based microemulsions for the controlled synthesis of MoSx nanoparticles: An electron microscopy study. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects, 2003, 214(1): 239–248

DOI

25
Ganguli A K, Ganguly A, Vaidya S. Microemulsion-based synthesis of nanocrystalline materials. Chemical Society Reviews, 2010, 39(2): 474–485

DOI

26
Wu M, Long J, Huang A, Luo Y, Feng S, Xu R. Microemulsion-mediated hydrothermal synthesis and characterization of nanosize rutile and anatase particles. Langmuir, 1999, 15(26): 8822–8825

DOI

27
Yang L, Liu L, Xiao D, Zhu J. Preparation and characterization of ZnSe nanocrystals by a microemulsion-mediated method. Materials Letters, 2012, 72: 113–115

DOI

28
Yin J, Lu X, Dong Q. The experiment and theory studies of silver substituting cadmium in CdS quantum dots. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 695: 1301–1306

DOI

29
Gao M R, Chan M K Y, Sun Y. Edge-terminated molybdenum disulfide with a 9.4-Å interlayer spacing for electrochemical hydrogen production. Nature Communications, 2015, 6: 7493

DOI

30
Li J, Wang D, Ma H, Pan Z, Jiang Y, Li M, Tian Z. Ionic liquid assisted hydrothermal synthesis of hollow core/shell MoS2 microspheres. Materials Letters, 2015, 160: 550–554

DOI

31
Li M, Wang D, Li J, Pan Z, Ma H, Jiang Y, Tian Z. Facile hydrothermal synthesis of MoS2 nano-sheets with controllable structures and enhanced catalytic performance for anthracene hydrogenation. RSC Advances, 2016, 6(75): 71534–71542

DOI

32
Wu Z, Tang C, Zhou P, Liu Z, Xu Y, Wang D, Fang B. Enhanced hydrogen evolution catalysis from osmotically swollen ammoniated MoS2. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(24): 13050–13056

DOI

33
Anto Jeffery A, Nethravathi C, Rajamathi M. Two-dimensional nanosheets and layered hybrids of MoS2 and WS2 through exfoliation of ammoniated MS2 (M= Mo,W). Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(2): 1386–1396

DOI

34
Matusinovic Z, Shukla R, Manias E, Hogshead C G, Wilkie C A. Polystyrene/molybdenum disulfide and poly(methyl methacrylate)/molybdenum disulfide nanocomposites with enhanced thermal stability. Polymer Degradation & Stability, 2012, 97(12): 2481–2486

DOI

35
Frey G L, Tenne R, Matthews M J, Dresselhaus M S, Dresselhaus G. Raman and resonance Raman investigation of MoS2 nanoparticles. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1999, 60(4): 2883–2892

DOI

36
Wang Z, Ma L, Chen W, Huang G, Chen D, Wang L, Lee J Y. Facile synthesis of MoS2/graphene composites: Effects of different cationic surfactants on microstructures and electrochemical properties of reversible lithium storage. RSC Advances, 2013, 3(44): 21675–21684

DOI

37
Ramakrishna Matte H S S, Gomathi A, Manna A K, Late D J, Datta R, Pati S K, Rao C N R. MoS2 and WS2 analogues of graphene. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49(24): 4059–4062 doi:10.1002/anie.201000009

38
Koroteev V O, Bulusheva L G, Asanov I P, Shlyakhova E V, Vyalikh D V, Okotrub A V. Charge transfer in the MoS2/Carbon nanotube composite. Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(43): 21199–21204

DOI

39
Lee C, Yan H, Brus L E, Heinz T F, Hone J, Ryu S. Anomalous lattice vibrations of single- and few-layer MoS2. ACS Nano, 2010, 4(5): 2695–2700

DOI

40
Nogueira A, Znaiguia R, Uzio D, Afanasiev P, Berhault G. Curved nanostructures of unsupported and Al2O3-supported MoS2 catalysts: Synthesis and HDS catalytic properties. Applied Catalysis A, General, 2012, 429–430: 92–105

DOI

41
Iwata Y, Sato K, Yoneda T, Miki Y, Sugimoto Y, Nishijima A, Shimada H. Catalytic functionality of unsupported molybdenum sulfide catalysts prepared with different methods. Catalysis Today, 1998, 45(1-4): 353–359

DOI

42
Bellussi G, Rispoli G, Molinari D, Landoni A, Pollesel P, Panariti N, Millini R, Montanari E. The role of MoS2 nano-slabs in the protection of solid cracking catalysts for the total conversion of heavy oils to good quality distillates. Catalysis Science & Technology, 2013, 3(1): 176–182

DOI

43
Zhou K, Jiang S, Bao C, Song L, Wang B, Tang G, Hu Y, Gui Z. Preparation of poly(vinyl alcohol) nanocomposites with molybdenum disulfide (MoS2): Structural characteristics and markedly enhanced properties. RSC Advances, 2012, 2(31): 11695–11703

DOI

44
Zhou K, Liu J, Wang B, Zhang Q, Shi Y, Jiang S, Hu Y, Gui Z. Facile preparation of poly(methyl methacrylate)/MoS2 nanocomposites via in situ emulsion polymerization. Materials Letters, 2014, 126: 159–161

DOI

45
Barzegar-Bafrooei H, Ebadzadeh T, Tazike M. A survey on dispersion mechanisms of multi-walled carbon nanotubes in an aqueous media by UV-Vis, raman spectroscopy, TGA, and FTIR. Journal of Dispersion Science and Technology, 2012, 33(7): 955–959

DOI

46
Boyjoo Y, Wang M, Pareek V K, Liu J, Jaroniec M. Synthesis and applications of porous non-silica metal oxide submicrospheres. Chemical Society Reviews, 2016, 45(21): 6013–6047

DOI

47
Yang T, Ling H, Lamonier J F, Jaroniec M, Huang J, Monteiro M J, Liu J. A synthetic strategy for carbon nanospheres impregnated with highly monodispersed metal nanoparticles. NPG Asia Materials, 2016, 8(2): e240

DOI

48
Pinilla J L, Purón H, Torres D, Suelves I, Millan M. Ni-MoS2 supported on carbon nanofibers as hydrogenation catalysts: Effect of support functionalisation. Carbon, 2015, 81: 574–586

DOI

Outlines

/