一种二硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种二硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料中的二硫化钼限域在中空纳米带结构的碳层内，复合材料外层为氮掺杂的碳层。本发明专利技术所述的二硫化钼/碳复合材料制备方法包括：通过水热法制备三氧化钼纳米带，低温反应在三氧化钼纳米带表面原位生长聚吡咯得到核壳结构的三氧化钼‑聚吡咯二元复合材料，再通过高温硫化制备二硫化钼/碳复合材料。本发明专利技术所制备的二硫化钼/碳复合材料可用作高性能超级电容器以及锂离子电池、太阳能电池等新型能源的理想电极材料。本发明专利技术所制备的二硫化钼/碳复合材料具有化学性质稳定、导电性好、容量高等优点。

A molybdenum disulfide / carbon composite and its preparation and Application

The invention relates to a molybdenum disulfide / carbon composite material and its preparation method and application. The molybdenum disulfide limit in the composite material is in the carbon layer of the hollow nanobelt structure, and the outer layer of the composite material is a nitrogen doped carbon layer. Including the MoS2 / carbon composite material preparation method by hydrothermal preparation of MoO3 nanobelts, low temperature reaction in MoO3 nanobelts surface in situ growth of two yuan of polypyrrole composite core-shell structure of MoO3 polypyrrole, and then through the high temperature vulcanization preparation of MoS2 / carbon composites. The molybdenum disulfide / carbon composite material prepared by the invention can be used as an ideal electrode material for high performance supercapacitors, as well as new energy sources such as lithium ion batteries and solar cells. The molybdenum disulfide / carbon composite prepared by the invention has the advantages of stable chemical properties, good conductivity and high capacity.

【技术实现步骤摘要】
一种二硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于碳复合材料
，特别涉及一种二硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
作为一种典型的过渡金属硫化物，二硫化钼具有特殊的层状结构，其层间较弱的范德华力有利于Li+的嵌入和脱嵌，同时二硫化钼还具有良好的双电层电荷存储能力，因而其具有较高的理论储锂容量，作为锂离子电池负极材料具有良好的应用前景。同时，由于其优先暴露的活性位点和长程/短程有序的原子排列，纳米结构二硫化钼电催化剂有望替代贵金属Pt实现电化学析氢反应。然而，由于其自身较差的导电性、储锂过程中的较大的体积膨胀以及析氢反应中不充分的电化学活性位点，大大限制了二硫化钼材料的实际应用。在纳米尺度上优化设计二硫化钼材料的结构是提高其电化学性能的一种有效途径。在众多结构的纳米材料中，纳米带结构的二硫化钼具有长径比高，比表面积大，电导率高，具有一定的机械强度。此外，为了进一步提高其结构稳定性及导电性，将二硫化钼与碳材料复合具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种二硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用，本专利技术制备过程环保、制备成本低廉、二硫化钼/碳复合材料电化学性能优异。本专利技术的一种二硫化钼/碳复合材料，所述复合材料中的二硫化钼限域在中空纳米带结构的碳层内，复合材料外层为氮掺杂的碳层。本专利技术的一种二硫化钼/碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将质量比为10:1-1:20的钼酸钠与氯化钠溶解在水中，持续搅拌，调节pH值为0-2，在160-220℃下进行水热反应10-48h，将所得溶液抽滤，洗涤，然后干燥，得到三氧化钼纳米带；其中钼酸钠溶解在水中的浓度为0.01-0.1g/mL；(2)将三氧化钼纳米带搅拌分散在水中，加入吡咯和引发剂，在0±10℃下反应6-48h，将所得分散液离心、洗涤并干燥，得到三氧化钼/聚吡咯二元复合材料；其中三氧化钼与吡咯的质量比为1:1-20，引发剂与吡咯的摩尔比为1:8-4:1；(3)将三氧化钼/聚吡咯二元复合材料与硫粉按照质量比1:2-10混合，研磨，在保护气下硫化，硫化温度为600-1000℃，洗涤，干燥，得到二硫化钼/碳复合材料。所述步骤(1)中钼酸钠与氯化钠的质量比为2:1-1:2；钼酸钠溶解在水中的浓度为0.02-0.05g/mL。所述步骤(1)中调节pH值为0.5-1.5，用盐酸溶液调节。所述步骤(1)中在180-200℃进行水热反应18-30h。所述步骤(2)中引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾或氯化铁；三氧化钼与吡咯的质量比为1:10；引发剂与吡咯的摩尔比为1:1-4。所述步骤(2)中在0±2℃下反应12-24h。所述步骤(3)中三氧化钼/聚吡咯二元复合材料与硫粉质量比为1:4-5；保护气为氮气或氩气，硫化工艺参数为温度800℃，保温时间4h，升温的速率为2-5℃/min。所述步骤(3)中洗涤为先用盐酸洗涤再用水洗。本专利技术的一种二硫化钼/碳复合材料的应用，用作超级电容器以及锂离子电池、太阳能电池的电极材料。本专利技术通过简单的工艺设计，以三氧化钼为前驱体，其外部包覆聚吡咯，对其二元复合材料进行高温硫化，制备得到一种新型的二硫化钼/碳复合材料。该复合材料在结构上表现为二硫化钼限域在中空纳米带结构的碳层内，且在中空纳米带碳层内仍有多余的空间。该复合材料具有如下优势：纳米带结构的复合材料本身具有较大的长径比，比表面积大，具有一定的力学强度，赋予了复合材料一定的稳定性；限域生长在碳层内的二硫化钼具有高比表面积确保电极/电解液的高接触面积以及充分的电化学活性位点；外层碳优良的导电性能有利于电子的传输，提高了复合材料整体的导电性；内部的空腔结构能够有效缓解长时间的电化学反应引发的结构形变。因此，将二硫化钼与碳材料进行有效的复合，可以达到很好的协同增强作用，以制备出性能优异的复合材料。有益效果(1)本专利技术通过水热反应，原位聚合和高温硫化技术，简单有效地制备得到具有中空结构的二硫化钼/碳复合材料。材料为中空结构，能够缓解硫化钼在充放电过程中的体积变化而引起的容量快速衰减，同时增加了硫化钼与电解液的接触面积，提高了电化学活性面积，有利于容量的提高。(2)本专利技术外层的碳层源自于聚吡咯，因此碳层为氮掺杂的碳，进一步提高了复合材料的导电性。(3)本专利技术制备过程简单，易于操作，是一种有效快捷的制备方法，高温硫化步骤实现外层聚吡咯层转化为氮掺杂的碳以及内层三氧化钼的硫化转变为二硫化钼。(4)本专利技术制备的二硫化钼/碳复合材料，中空结构和碳基复合结构可以有效缓解反复充放电过程中由于锂离子的嵌入/脱出或者表面法拉第反应产生的结构应力，从而提高了电极的循环稳定性，可用作高性能超级电容器以及锂离子电池、太阳能电池的理想电极材料。附图说明图1是实施例1制备的二硫化钼/碳复合材料的SEM图。图2是实施例1制备的二硫化钼/碳复合材料的TEM图。图3是实施例1制备的二硫化钼/碳复合材料和对比例1制备的二硫化钼XRD图。图4是实施例1制备的二硫化钼/碳复合材料和对比例1制备的二硫化钼在电流密度为0.1Ag-1下的循环性能图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例11、通过水热法制备三氧化钼纳米带：将1.21g钼酸钠与0.6g氯化钠加入到60mL去离子水中得到溶液，持续搅拌10分钟，得到均匀分散液，加入3mol/L盐酸溶液调节pH至1，转移至水热釜中于烘箱内进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为24h，待反应釜冷却时至室温，将所得分散液进行抽滤分离其中的淡蓝色沉淀，将所得固体用去离子水清洗，于烘箱中60℃干燥24h，得到三氧化钼纳米带。2、在三氧化钼纳米带上原位生长聚吡咯得到三氧化钼/聚吡咯二元复合材料：在250mL烧瓶中加入40mg上述所得三氧化钼纳米带，加入80ml去离子水搅拌使三氧化钼均匀分散在水中得到分散液，用移液管量取200μL吡咯(0.00288mol)加入上述烧瓶中，搅拌10分钟后，逐滴加入20ml的引发剂过硫酸铵溶液(16.5mg/ml)，控制吡咯与过硫酸铵的摩尔比为2:1，将烧瓶放入低温冷冻循环泵中，设置反应温度为0±2℃，搅拌反应12h，在三氧化钼上通过原位聚合反应生长聚吡咯，反应结束后，将分散液抽滤，将所得固体用去离子水洗涤几次，在真空条件下60℃干燥24h，得到三氧化钼/聚吡咯二元复合材料。3、高温硫化三氧化钼/聚吡咯前驱体制备二硫化钼/碳复合材料：称量20mg上述所得三氧化钼/聚吡咯和100mg硫粉，在玛瑙中研磨，混合均匀，加入到长6cm，宽3cm的瓷方舟中。管式炉高温硫化。保护气体为氮气，升温速率为5℃/min，终止温度为800℃，保温时间为4h。反应结束后，将所得固体用盐酸洗涤几次，再将分散液用水洗，抽滤，所得产物在真空条件下60℃干燥24h，得到二硫化钼/碳复合材料。图1为本实施例的二硫化钼/碳复合材料的SEM图，从图中可以观察到所制备的二硫化钼/碳复合材料具有纳米带结构，长约为3-6μm，宽约为100-200nm，其较好的长径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二硫化钼/碳复合材料，其特征在于：所述复合材料中的二硫化钼限域在中空纳米带结构的碳层内，复合材料外层为氮掺杂的碳层。

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼/碳复合材料，其特征在于：所述复合材料中的二硫化钼限域在中空纳米带结构的碳层内，复合材料外层为氮掺杂的碳层。2.一种二硫化钼/碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将质量比为10:1-1:20的钼酸钠与氯化钠溶解在水中，持续搅拌，调节pH值为0-2，在160-220℃下水热反应10-48h，将所得溶液抽滤，洗涤，然后干燥，得到三氧化钼纳米带；其中钼酸钠溶解在水中的浓度为0.01-0.1g/mL；(2)将三氧化钼纳米带搅拌分散在水中，加入吡咯和引发剂，在0±10℃下反应6-48h，将所得分散液离心、洗涤并干燥，得到三氧化钼/聚吡咯二元复合材料；其中三氧化钼与吡咯的质量比为1:1-20，引发剂与吡咯的摩尔比为1:8-4:1；(3)将三氧化钼/聚吡咯二元复合材料与硫粉按照质量比1:2-10混合，研磨，在保护气下硫化，硫化温度为600-1000℃，洗涤，干燥，得到二硫化钼/碳复合材料。3.根据权利要求2所述的一种二硫化钼/碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中钼酸钠与氯化钠的质量比为2:1-1:2；钼酸钠溶解在水中的浓度为0.02-0.05g/mL。4.根据权利要求2所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，刘颖，刘天西，王开，伏璀玫，晁国杰，李乐，刘思良，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31