CN108899514B - 一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料及其制备方法和应用，属于钠离子电池电极材料制备技术领域。在制备过程中用固相法原位合成了三维多孔纳米结构MoS2/rGO纳米材料。相对于大部分文献报道的水热法或者先水热后热处理等方法，该方法具有过程简单，反应易控，重复性高，产率大等特点。在此基础上通过控制氩气气体体积流量来实现H2CNSNH2分解产生的气体既可以起到还原MoO3又能够满足造孔的效果。实验结果表明，经本发明方法制得的三维多孔纳米结构MoS2/rGO表现出优异的导电性、循环稳定性和高的放电比容量，能够作为钠离子电池负极材料广泛使用。

Description

一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于钠离子电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种三维多孔 MoS2/rGO纳米材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着电动汽车以及移动电子器件市场的迅猛发展，对电池材料的要求越来越高。寻找适合的电池材料对电子设备的功能有很大的影响。锂离子电池的主要构成为正极，负极和电解液。正负极是电化学反应发生的基本材料，是化学能转化为电能的基础，而电解液是电池中离子传输的载体。然而锂资源的稀缺，限制了其进一步发展。钠离子电池具有高的能量密度以及较长的使用寿面和环境友好等特点，已经被人们认为是最有可能成为能源存储的体系。钠离子电池材料，作为新能源材料的分支之一，更受到了广泛的研究
二硫化钼(MoS2)，其理论容量高达670mAh g-1，有望成为下一代钠离子电池负极材料。MoS2具有S-Mo-S的夹心层状结构，层内原子通过强共价键结合，层与层之间存在弱范德华力作用。但作为钠离子电池的负极材料使用时，由于充放电过程中离子的嵌入和脱出，尤其是钠离子的脱嵌过程会使得具有高表面能的MoS2的片层结构坍塌堆积，降低了其倍率性能以及循环稳定性，进而影响了S-Mo-S的片层之间电子/离子的导电性，降低了其电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料及其制备方法和应用，该方法制备过程简单，反应易控，反应周期短，能耗低，重复性高，产率高，适合规模化生产；经该方法制得的MoS2复合粉体纯度高，形貌均为多孔结构，粒径均匀，可以用作钠离子二次电池负极材料。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将石墨烯分散于水中，然后加入H2CNSNH2，充分搅拌均匀，制得溶液A；其中，所用石墨烯与H2CNSNH2的质量比为(0.04～0.12)：(1.0～3.0)；
2)将MoO3加入溶液A中，边搅拌边加热蒸发处理，制得预制体；
3)在氩气气氛下，将预制体由室温加热至600～800℃，保温2.0～4.0h，冷却至室温；
4)将冷却后的产物水洗、干燥后，制得三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
优选地，步骤1)中，所用石墨烯与水的用量比为(0.04～0.12)g：50mL。
优选地，步骤1)中，充分搅拌均匀是利用磁力搅拌器搅拌2～6小时。
优选地，步骤3)中，由室温加热至600～800℃的过程中，升温速率为5～10℃ min-1。
优选地，步骤3)中，对通入的氩气的流速进行控制：当温度由室温升温至100～300℃时，控制氩气气体体积流量为0～50sccm；保温处理结束后，控制氩气气体体积流量为100～200sccm。
优选地，步骤4)中，是将产物用去离子水清洗3～6次后，冷冻干燥8～12h。
本发明公开了采用上述的制备方法制得的三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
本发明还公开了上述的三维多孔MoS2/rGO纳米材料作为钠离子电池负极材料的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的三维多孔MoS2/rGO纳米材料及其制备方法，首先将石墨烯 (GO)分散在去离子水中，制得GO/H2O分散体，然后将H2CNSNH2加入到 GO/H2O分散体中，再加入MoO3，通过边搅拌边加热蒸发处理除去溶液中水分后形成预制体，形成的预制体的材料结构非常稳固，然后再在氩气气氛下发生固相反应，最后将制得的产物清洗、干燥，得到三维多孔MoS2/rGO纳米材料。该方法具有制备过程简单，反应易控，周期短，能耗低，重复性高，产率大等特点。同时，该方法也打破了大部分文献在水热条件下或先水热后热处理的方法制备MoS2/rGO这一瓶颈，因为水热条件具有重复性差，产率低的问题。
进一步地，在反应过程中通过控制氩气气体体积流量来实现H2CNSNH2分解产生的气体既可以起到还原MoO3又能够满足造孔的效果。
经本发明方法制得的三维多孔纳米结构MoS2/rGO表现出优异的导电性、循环稳定性和高的放电比容量，能够作为钠离子电池负极材料广泛使用。
附图说明
图1为三维多孔纳米结构MoS2/rGO的Raman图；
图2a为三维多孔纳米结构MoS2/rGO的SEM结果图；
图2b三维多孔纳米结构MoS2/rGO的TEM结果图；
图3为MoS2/rGO的循环性能测试图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.04g GO分散在约50mL去离子水中，将1.0g H2CNSNH2加入到 GO/H2O分散体中并在磁力搅拌器上搅拌2h，制得溶液A；
2)将0.25g MoO3加入到上述溶液A中，通过磁力搅拌并加热蒸发溶液中水分后，得到所需预制体；
3)在氩气作为保护气体条件下，将预制体以5℃min-1的速率由室温加热至600℃，保温4.0h；
在保温处理过程中，当温度由室温升温达到100℃时，控制氩气气体体积流量为0sccm，以保持高浓度S与MoO3反应，反应结束后氩气调至100sccm，以排出多余的气体，随后自然冷却至室温；
4)将制得的产物用去离子水清洗3遍，对产物进行冷冻干燥8h，制得三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
实施例2
一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.06g GO分散在约50mL去离子水中，将1.5g H2CNSNH2加入到 GO/H2O分散体中并在磁力搅拌器上搅拌3h，制得溶液A；
2)将0.3g MoO3加入到上述溶液A，通过磁力搅拌并加热蒸发溶液中水分后，得到所需预制体；
3)在氩气作为保护气体条件下，将预制体以6℃min-1的速率加热至 650℃，保温3.5h；
在保温处理过程中，当温度由室温升温达到150℃时，控制氩气气体体积流量为10sccm，以保持高浓度S与MoO3反应，反应结束后氩气调至120sccm，以排出多余的气体，随后自然冷却至室温；
4)将制得的产物用去离子水清洗4遍，对产物进行冷冻干燥9h，制得三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
实施例3
一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.08g GO分散在约50mL去离子水中。将2.0g H2CNSNH2加入到 GO/H2O分散体中并在磁力搅拌器上搅拌4h，制得溶液A；
2)将0.4g MoO3加入到上述溶液A，通过磁力搅拌并加热蒸发溶液中水分后，得到所需预制体；
3)在氩气作为保护气体条件下，将预制体以7℃min-1的速率加热至 700℃，保温3.0h。
在保温处理过程中，当温度由室温升温达到200℃时，控制氩气气体体积流量为0sccm，以保持高浓度S与MoO3反应，反应结束后氩气调至150sccm，以排出多余的气体，随后自然冷却至室温；
4)将制得的产物用去离子水清洗4遍，对产物进行冷冻干燥10h，制得三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
实施例4
一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.10g GO分散在约50mL去离子水中，将2.5g H2CNSNH2加入到 GO/H2O分散体中并在磁力搅拌器上搅拌5h，制得溶液A；
2)将0.45g MoO3加入到上述溶液A，通过磁力搅拌并加热蒸发溶液中水分后，得到所需预制体；
3)在氩气作为保护气体条件下，将预制体以8℃min-1的速率加热至 750℃，保温2.5h；
在保温处理过程中，当温度由室温升温达到250℃时，控制氩气气体体积流量为40sccm，以保持高浓度S与MoO3反应，反应结束后氩气调至180sccm，以排出多余的气体，随后自然冷却至室温；
4)将制得的产物用去离子水清洗5遍，对产物进行冷冻干燥11h，制得三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
实施例5
一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.12g GO分散在约50mL去离子水中，将3.0g H2CNSNH2加入到 GO/H2O分散体中并在磁力搅拌器上搅拌6h，制得溶液A；
2)将0.5g MoO3加入到上述溶液A，通过磁力搅拌并加热蒸发溶液中水分后，得到所需预制体；
3)在氩气作为保护气体条件下，将预制体以10℃min-1的速率加热至 800℃，保温2.0h；
在这过程中在保温处理过程中，当温度由室温升温达到300℃时，控制氩气气体体积流量为50sccm，以保持高浓度S与MoO3反应，反应结束后氩气调至200sccm，以排出多余的气体，随后自然冷却至室温；
4)将制得的产物用去离子水清洗6遍，对产物进行冷冻干燥12h，制得三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
参见图1，从图1可得，硫蒸气与MoO3进行反应生成了MoS2，最终制备出具有三维多孔结构的MoS2/rGO纳米材料。
参见图2，从图2a，即样品的扫描电镜图中可以看出，MoS2/rGO纳米材料呈现出三维多孔结构，样品尺寸大小均一且分布均匀。这种MoS2/rGO三维多孔纳米结构的稳定存在保证了其在钠离子电池中能够拥有良好的循环稳定性。从图2b，即样品的透射电镜图中可以看出，MoS2与rGO的确复合成功。即MoS2在rGO表面均匀附着。
参见图3，从图3可以看出，MoS2/rGO复合材料在大电流密度1000mA g-1下循环100圈后，其放电容量依旧高达280mA h g-1。

Claims (6)

1.一种三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将石墨烯分散于水中，然后加入H2CNSNH2，充分搅拌均匀，制得溶液A；其中，所用石墨烯与H2CNSNH2的质量比为(0.04～0.12)：(1.0～3.0)；
所用石墨烯与水的用量比为(0.04～0.12)g：50mL；
2)将MoO3加入溶液A中，边搅拌边加热蒸发处理，制得预制体；
3)在氩气气氛下，将预制体由室温加热至600～800℃，保温2.0～4.0h，冷却至室温；
对通入的氩气的流速进行控制：当温度由室温升温至100～300℃时，控制氩气气体体积流量为0～50sccm；保温处理结束后，控制氩气气体体积流量为100～200sccm；
4)将冷却后的产物水洗、干燥后，制得三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
2.根据权利要求1所述的三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，充分搅拌均匀是利用磁力搅拌器搅拌2～6小时。
3.根据权利要求1所述的三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，由室温加热至600～800℃的过程中，升温速率为5～10℃min-1。
4.根据权利要求1所述的三维多孔MoS2/rGO纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中，是将产物用去离子水清洗3～6次后，冷冻干燥8～12h。
5.采用权利要求1～4中任意一项所述的制备方法制得的三维多孔MoS2/rGO纳米材料。
6.权利要求5所述的三维多孔MoS2/rGO纳米材料作为钠离子电池负极材料的应用。
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