二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备方法，以二硫化钼粉末作为原料，利用N-甲基吡咯烷酮作为插层溶剂，通过溶剂热插层超声剥离法制备少层二硫化钼纳米片分散液，再与氧化石墨烯水溶液混合成为不同比例的均一二硫化钼/氧化石墨烯分散体系，并通过钠离子作用下的溶液自组装过程形成紧密的二硫化钼/氧化石墨烯复合结构，再利用水合肼原位还原得到二硫化钼/还原氧化石墨烯三维复合体系，在氨气气氛下进行高温氮掺杂过程，获得二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料。该方法能够更好地平衡成分控制与结构控制，过程简单，易于大规模生产。获得的二硫化钼/氮掺杂石墨烯复合材料可以应用于高性能锂电池负极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备方法及应用，属于储能材料

技术介绍
近年来，随着化石燃料快速消耗，大气污染日益严重，人们加快了对新能源材料的研发脚步。二硫化钼是一种二维片层晶体材料，其特殊的层状结构为锂离子的嵌入和脱出提供了可能，故该材料得到越来越多的有关锂离子电池电极方面的研究。Liu等人利用重堆积作用，使得剥离开的二硫化钼纳米片层间距有一定幅度的增大，增强了其低电流下的循环容量和循环稳定性(GD Du,HK Liu,et al.Superior stability and high capacity of restacked molybdenum disulfide as anode material for lithium ion batteries[J].Chemical Communications.2010,46:1106–1108)。但是，由于二硫化钼较差的导电性和结构的易破坏性，使得其电池性能得不到进一步的提升。石墨烯是一种具有良好导电性和结构强度的二维片层材料，已有文章报道石墨烯对于金属氧化物，金属硫化物(四氧化三铁，二硫化锡等)的电池性能有着极大幅度的增强作用。故二硫化钼/石墨烯的复合结构将有利于其电池性能的进一步提升。已有的二硫化钼/石墨烯复合材料的合成方法主要有三种，包括水热合成，化学气相沉积和溶液自组装法。水热合成是以氧化石墨烯为模板高温高压下生长少层二硫化钼，于此同时氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯。该方法制得的二硫化钼/石墨烯负极材料拥有较高的循环容量(>1000 mAh/g，100mA/g)，但是二硫化钼结晶性差，且与石墨烯的比例不能得到精确地控制是水热合成法对该复合材料造成的缺陷(K Chang,W Chen,et al.In situ synthesis of MoS2/graphene nanosheet composites with extraordinarily high electrochemical performance for lithium ion batteries[J].Chemical Communications.2011,47:4252-4254)。化学气相沉积法是制备多层规则结构的二硫化钼/石墨烯的有效手段，出色的结构特点使得其电化学性能得到保证。但是该方法的产率极低，无法适应电极材料大规模生产的要求(W Fu,FH Du,et al.In situ catalytic growth of large-area multilayered graphene/MoS2 heterostructures[J].Scientific Reports.2014,4:4673-4680)。相比于前两种方法，溶液自组装法在更好地平衡结构控制和成分控制的前提下，即保证了优秀的电化学性能，同时又具备大规模生产的条件(YH Hu,XF Li,et al.Fabrication of MoS2-graphene nanocomposites by layer-by-layer manipulation for high-performance lithium ion battery anodes[J].ECS Journal of Solid State Science and Technology.2013,2:M3034-M3039)。因此，我们在溶液自组装法的基础上进行改进，利用钠离子对两种片层物质的聚沉作用，并原位还原制备更为结实紧密的二硫化钼/还原氧化石墨烯复合结构，充分发挥石墨烯在该复合材料中的导电和结构支撑作用，提高锂离子电池充放电循环稳定性。与此同时，利用氮掺杂过程来进一步增强石墨烯的储锂性能(ALM Reddy,A Srivastava,et al.Synthesis Of nitrogen-doped graphene films for lithium battery application[J].ACS Nano.2010,4:6337-6342)，使得二硫化钼/氮掺杂石墨烯复合材料的锂离子电池循环容量有进一步提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种二硫化钼/氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法，该方法简单高效，易于大批量制备。该复合材料具有紧密的三维结构，优秀的锂离子电池循环容量，循环稳定性等特点。本专利技术是通过下述技术方案加以实现的：一种二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备方法，以二硫化钼粉末作为原料，利用N-甲基吡咯烷酮作为插层溶剂，通过溶剂热插层超声剥离法制备少层二硫化钼纳米片分散液，再与氧化石墨烯水溶液混合成为不同比例的均一二硫化钼/氧化石墨烯分散体系，并通过钠离子作用下的溶液自组装过程形成紧密的二硫化钼/氧化石墨烯复合结构，再利用水合肼原位还原得到二硫化钼/还原氧化石墨烯三维复合体系，在氨气气氛下进行高温氮掺杂过程，获得二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料。本专利技术的二硫化钼/氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法，可以归纳为如下制备步骤：1)二硫化钼/N-甲基吡咯烷酮分散液的制备；2)二硫化钼/氧化石墨烯复合材料的制备；3)二硫化钼/还原氧化石墨烯复合材料的制备；4)二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备。上述步骤制备的物质可以采用任何已知的方法，也可以采用如下方法：步骤1)二硫化钼/N-甲基吡咯烷酮分散液的制备如下：将二硫化钼粉末，N-甲基吡咯烷酮溶剂加入到高压反应釜中，在210-230℃下反应2-5小时，冷却后利用探头超声波粉碎仪进行二硫化钼的剥离过程，1500-2000转离心40-60分钟，上层即为二硫化钼/N-甲基吡咯烷酮分散液。步骤2)二硫化钼/氧化石墨烯复合材料的制备如下：将二硫化钼/N-甲基吡咯烷酮分散液和氧化石墨烯水溶液混合搅拌成为均一的二硫化钼/氧化石墨烯分散液，加入氯化钠。其中二硫化钼、氧化石墨烯、氯化钠三者溶质质量比(1-4):1:10。搅拌至完全溶解，聚沉过程结束后，下层絮状物经离心后得到为二硫化钼/氧化石墨烯三维组装体。步骤3)二硫化钼/还原氧化石墨烯复合材料的制备如下：向二硫化钼/氧化石墨烯中加入水合肼溶液，加热进行还原过程，抽滤洗涤，干燥完全后即得到二硫化钼/还原氧化石墨烯复合材料。步骤4)二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备如下：将二硫化钼/还原氧化石墨烯复合物至于管式炉中，Ar/H2气氛下加热至950-1000℃并通入氨气，并立即停止加热，缓慢本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备方法，其特征是：以二硫化钼粉末作为原料，利用N‑甲基吡咯烷酮作为插层溶剂，通过溶剂热插层超声剥离法制备少层二硫化钼纳米片分散液，再与氧化石墨烯水溶液混合成为不同比例的均一二硫化钼/氧化石墨烯分散体系，并通过钠离子作用下的溶液自组装过程形成紧密的二硫化钼/氧化石墨烯复合结构，再利用水合肼原位还原得到二硫化钼/还原氧化石墨烯三维复合体系，在氨气气氛下进行高温氮掺杂过程，获得二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备方法，其特征是：
以二硫化钼粉末作为原料，利用N-甲基吡咯烷酮作为插层溶剂，通过溶剂热插层超
声剥离法制备少层二硫化钼纳米片分散液，再与氧化石墨烯水溶液混合成为不同比例的均
一二硫化钼/氧化石墨烯分散体系，并通过钠离子作用下的溶液自组装过程形成紧密的二
硫化钼/氧化石墨烯复合结构，再利用水合肼原位还原得到二硫化钼/还原氧化石墨烯三维
复合体系，在氨气气氛下进行高温氮掺杂过程，获得二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材
料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是制备步骤如下：
1)二硫化钼/N-甲基吡咯烷酮分散液的制备；
2)二硫化钼/氧化石墨烯复合材料的制备；
3)二硫化钼/还原氧化石墨烯复合材料的制备；
4)二硫化钼/氮掺杂石墨烯三维复合材料的制备。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤1)二硫化钼/N-甲基吡咯烷酮分散液的
制备如下：
将二硫化钼粉末，N-甲基吡咯烷酮溶剂加入到高压反应釜中，在210-230℃下反应
2-5小时，冷却后利用探头超声波粉碎仪进行二硫化钼的剥离过程，1500-2000转离心40-6...

【专利技术属性】
技术研发人员：封伟，刘耕，冯奕钰，李瑀，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12