一种多级结构VS4纳米粉体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种多级结构VS4纳米粉体及其制备方法和应用，先将钒源溶液和硫源溶液在搅拌下混合，控制钒和硫的摩尔比为1:1～1:2，得到混合液；然后将混合液进行水热反应，反应结束后，冷却，洗涤、收集、烘干，即可得到多级结构VS4纳米粉体。该方法工艺简单易控，制得的VS4纳米粉体化学组成均一，纯度较高，其作为锂/钠离子电池电极材料时表现出了优异的电化学性能。此外，该方法克服了传统煅烧方法温高的缺点，且不需要大型设备和苛刻的反应条件，原料廉价易得，成本低，产率高，无需后期处理，对环境友好，可以适合大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种四硫化钒纳米材料的制备方法，具体涉及一种多级结构VS4纳米粉体及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池由于具有工作电压高、容量高、自放电小和循环寿命长等优点而广泛应用于便携式电子市场。但是，全球的锂资源将无法有效满足动力锂离子电池的巨大需求[Tarascon J M,Armand M.Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries[J].Nature,2001,414(6861):359-367]。钠离子电池由于具有资源丰富、成本低廉、环境友好等特点，被认为是替代锂离子电池作为下一代电动汽车动力电源及大规模储能电站配套电源的理想选择，因此探寻高容量及优异循环性能的储钠电极材料已成为目前电池领域的研究热点[Slater M D,Kim D,Lee E,et al.Sodium‐Ion Batteries[J].Advanced Functional Materials,2013,23(8):947-958]。。目前，钠离子电池负极材料的研究主要集中在硬碳/软碳、合金材料、化合物以及有机物材料等。钼、钨和钒等过渡金属硫化物是一类比较理想的锂离子和钠离子电池负极材料，因为这类硫化物一般具有层状结构，他们的层间距都比较大，在与锂和钠电化学反应过程中，锂离子和钠离子能嵌入到层状结构。并且这类硫化物另外一个重要特点是层隙间存在范德华力，它能够提供锂离子或钠离子的嵌入空间。在锂离子或钠离子发生嵌入反应时，在一个完整的充电反应发生过程中，既有锂离子或钠离子通过扩散到层间隙储锂(钠)，同样的还发生金属离子还原为低价态储锂(钠)。特别是最近的研宄表明，过渡金属二硫化物通过与高导电的碳材料复合，形成MoS2、WS2和VS2碳纤维和石墨烯等复合材料展现出极好的储锂或者储钠性能[翟伯华.硫化物复合材料的合成及其储锂(钠)性能研究[D].湖南大学,2014]。关于过渡金属硫化物作为钠离子电池负极材料的报道却主要集中在硫化钼和硫化钨的研究。关于硫化钒的报到也主要集中在二硫化钒，许多研究者报道了通过水热法制备出具有纳米片、纳米花结构的二硫化钒。由于四硫化钒的合成条件苛刻、反应难以控制，导致了对它的研究进展一直比较缓慢。关于其作为锂/钠离子电池电极材料的报道更是少见。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多级结构VS4纳米粉体及其制备方法和应用，其操作简单，通过一步水热即可得到、且反应温度低、反应周期短，制得的VS4化学组分均一，纯度高。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，先将钒源溶液和硫源溶液在搅拌下混合，控制钒和硫的摩尔比为1:1～1:2，得到混合液，钒源的浓度为0.06～0.6mol/L；然后将混合液进行水热反应，反应结束后，冷却，洗涤、收集、烘干，即可得到多级结构VS4纳米粉体；所述水热反应的温度为160～200℃，时间为12～36h。进一步地，所述水热反应的填充比为40～80％。进一步地，所述洗涤方式为抽滤洗涤或离心洗涤，收集方式为抽滤收集或离心收集。进一步地，水热反应完成后，对反应后的溶液进行抽滤，先后用去离子水和无水乙醇进行洗涤，以去除水热反应过程中产生的杂质。进一步地，所述干燥的温度为60～120℃，时间为6～24h。进一步地，所述的搅拌方式为磁力搅拌或超声分散。进一步地，所述钒源为偏钒酸钠、钒酸钠、偏钒酸铵、五氧化二钒以及偏钒酸钾中的一种或几种。进一步地，所述硫源为硫代乙酰胺、二乙基硫代氨基甲酸钠以及硫单质中的一种或几种。一种多级结构VS4纳米粉体，该多级结构VS4纳米粉体为具有中空短棒状VS4并负载于短棒缠绕成的球状上，其中，中空短棒的直径为50nm，长度为200nm。一种通过上述方法制备的多级结构VS4纳米粉体的应用，该多级结构VS4纳米粉体应用于钠/锂/镁离子电池以及光催化领域。相对于现有技术，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术采用低温水热合成法制备了VS4纳米粉体，该方法克服了传统煅烧方法温高的缺点，且不需要大型设备和苛刻的反应条件，无需形貌控制剂，原料廉价易得，成本低，产率高，无需后期处理，对环境友好，可以适合大规模生产。同时，该方法工艺简单易控，制备的VS4纳米粉体化学组成均一，纯度及结晶性均较高。此外，通过该方法制备的VS4纳米粉体表现出了中空短棒状VS4负载于短棒缠绕球状VS4上的多级结构。该多级结构VS4纳米粉体应用于钠/锂/镁离子电池以及光催化领域，其作为锂/钠离子电池电极材料时表现出了优异的电化学性能。【附图说明】图1为本专利技术实施例1制备的VS4纳米粉体的X-射线衍射(XRD)图谱；图2和图3为本专利技术实施例1制备的VS4纳米粉体的扫描电镜(SEM)照片。【具体实施方式】下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明。一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：步骤一：称量钒源和硫源物质，将钒源和硫源物质溶解于40～80mL去离子水中，控制钒和硫的摩尔比为1:1～1:2，磁力搅拌或超声分散10～60min后得到溶液A，钒源的浓度为0.06～0.6mol/L。钒源为偏钒酸钠、钒酸钠、偏钒酸铵、五氧化二钒以及偏钒酸钾中的一种或几种。硫源为硫代乙酰胺、二乙基硫代氨基甲酸钠以及硫单质中的一种或几种。步骤二：将溶液A转移到水热反应内衬中，加装外釜后置于均相反应仪中，控制水热反应的填充比为40～80％，在160～200℃的合成温度条件下反应12～36h。步骤三：待水热反应结束并自然冷却后将反应产物取出，水洗2～5次、醇洗2～5次后收集，并在60～120℃的条件下烘干6～24h，即可得到多级结构VS4纳米粉体。洗涤方式为抽滤洗涤或离心洗涤，收集方式为抽滤收集或离心收集。通过上述方法制备的VS4纳米材料具有中空短棒状VS4负载于短棒缠绕成球状VS4上的多级结构，其中中空短棒的直径约为50nm，长度约为200nm。该多级结构VS4纳米粉体应用于钠/锂/镁离子电池以及光催化领域。尤其是当其应用于钠离子电池时，表现出了优异的电化学性能。实施例1步骤一：称量偏钒酸钠和硫代乙酰胺，溶解于60mL去离子水中，控制钒和硫的摩尔比为
1:1，磁力搅拌60min后得到溶液A，钒源的浓度为0.06mol/L。步骤二：将溶液A转移到水热反应内衬中，加装外釜后置于均相反应仪中，控制水热反应的填充比为60％，在180℃的合成温度条件下反应24h。步骤三：待水热反应结束并自然冷却后将反应产物取出，水洗3次、醇洗3次后收集，并在60℃的条件下烘干12h，即可得到多级结构VS4纳米粉体。其中，洗涤方式为抽滤洗涤，收集方式为抽滤收集。从图1中可以看出，所有的X射线粉末衍射峰均可指标为VS4纳米粉体，并且几乎没有其他杂质峰出现，因此实施例1为合成的高纯度VS4纳米粉体。从图2-3中可以清楚的看到直径约为50nm，长度约为200nm短棒状VS4负载于短棒缠绕成球状VS4上的多级结构。实施例2步骤一：称量偏钒酸钠和硫代乙酰胺，溶解于40mL去离子水中，控制钒和硫的摩尔比为1:1.5，超声分散10min后得到溶液A，钒源的浓度为0.1mol/L。步骤二：将溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，其特征在于，先将钒源溶液和硫源溶液在搅拌下混合，控制钒和硫的摩尔比为1:1～1:2，得到混合液，钒源的浓度为0.06～0.6mol/L；然后将混合液进行水热反应，反应结束后，冷却，洗涤、收集、烘干，即可得到多级结构VS4纳米粉体；所述水热反应的温度为160～200℃，时间为12～36h。

【技术特征摘要】
1.一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，其特征在于，先将钒源溶液和硫源溶液在搅拌下混合，控制钒和硫的摩尔比为1:1～1:2，得到混合液，钒源的浓度为0.06～0.6mol/L；然后将混合液进行水热反应，反应结束后，冷却，洗涤、收集、烘干，即可得到多级结构VS4纳米粉体；所述水热反应的温度为160～200℃，时间为12～36h。2.根据权利要求1所述的一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，其特征在于：所述水热反应的填充比为40～80％。3.根据权利要求1所述的一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，其特征在于：所述洗涤方式为抽滤洗涤或离心洗涤，收集方式为抽滤收集或离心收集。4.根据权利要求1或3所述的一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，其特征在于：水热反应完成后，对反应后的溶液进行抽滤，先后用去离子水和无水乙醇进行洗涤，以去除水热反应过程中产生的杂质。5.根据权利要求1所述的一种多级结构VS4纳米粉体的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，李文斌，王海静，李瑞梓，费杰，曹丽云，任一杰，罗晓敏，闻稼宝，井宣人，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61