具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开的一种具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料及其制备方法和应用，属于锂、钠离子电池电极材料制备技术领域，通过钼酸铵分解制备的纯相MoO3与石墨烯先均匀混合，制备MoO3/石墨烯前驱体，然后按照一定比例将其与硫脲在惰性气氛条件下发生原位反应。采用硫脲热解产生的N2为氮源，SOX为硫源，通过固相法使得N原子与石墨烯中C原子互换实现掺杂，同时SOX与MoO3发生反应得到具有多孔结构的MoS2能够在N掺杂的石墨烯表面原位生长。本发明专利技术通过固相法原位合成技术一步制得具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料，具有制备简单，过程易控，周期短，产物的重复性高且有利于规模化生产等优点。

【技术实现步骤摘要】
具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料及其制备方法和应用
本专利技术属于锂、钠离子电池电极材料制备
，具体涉及一种N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着不可再生资源的大量开采和利用，人们对清洁和可持续能源存储系统有了越来越多关注与研究。在先进能源存储系统技术方面，研究者们对可充电电池、液体电池以及超级电容器等领域有了越来越多的研究。在这些领域中，由于锂离子电池、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。[LarcherD,TarasconJM.Towardsgreenerandmoresustainablebatteriesforelectricalenergystorage[J].NatureChemistry,2015,7(1):19-29],[ChoiJW,AurbachD.Promiseandrealityofpost-lithium-ionbatterieswithhighenergydensities[J].NatureReviewsMaterials,2016,1(4):16013]石墨结晶度高，具有层状的结构。商用锂离子电池多采用石墨作为其负极材料。当其用于二次电池负极材料，其在锂离子电池中理论容量为372mAhg-1，而用于钠离子电池，其理论容量约为20mAhg-1。因此难以满足当前的需求。[QianJ,WuX,CaoY,etal.Highcapacityandratecapabilityofamorphousphosphorusforsodiumionbatteries[J].AngewandteChemie,2013,125(17):4731-4734.]，[ZhuY,HanX,XuY,etal.ElectrospunSb/Cfibersforastableandfastsodium-ionbatteryanode[J].ACSnano,2013,7(7):6378-6386.]。MoS2是一个典型的层状结构材料，层与层之间的间距约为0.615nm，显著高于石墨(0.335nm)。这为钠离子的嵌入和脱出提供了条件。然而，MoS2层间主要依靠范德华力相互连接，在嵌/脱钠过程中易造成结构坍塌，从而发生活性物质聚集和大的体积变化，随着钠离子电池循环次数增加，容量也发生明显衰减。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料及其制备方法和应用，该制备方法具有操作简单，反应过程可控，反应周期短，能耗低，重复性高，产率大等优点；经本专利技术方法制得的MoS2纳米材料，具有放电比容量高，循环稳定性好等优点，可以作为锂/钠离子电池负极材料。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开了一种具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的制备方法，包括以下步骤：1)以钼酸铵为原料，经研磨、加热处理后，冷却、洗涤、干燥，制得纯相MoO3；2)将石墨烯分散在去离子水中，加入纯相MoO3，边搅拌边蒸干，制得MoO3/石墨烯前驱体；3)将MoO3/石墨烯前驱体和硫脲按照0.5：(1.0～5.0)的质量比，研磨均匀后，在惰性气氛下，从室温升温至150～350℃，保温反应0.5～2h，然后继续升温至600～800℃，保温反应0.5～2h，冷却至室温，将反应产物洗净、干燥，制得具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料。优选地，步骤1)中，加热处理是将研磨均匀的钼酸铵，在空气气氛下，以5～10℃min-1的升温速率从室温升至400～600℃，保温1～3h。优选地，步骤1)中，将反应产物冷却至室温后，用去离子水清洗3～6次，然后冷冻干燥8～12h。优选地，步骤2)中，石墨烯与纯相MoO3质量比为(0.06～0.14)：(1.0～1.8)。优选地，惰性气氛选择氩气，反应过程中对通入的氩气流速进行控制，具体操作如下：反应开始时，通入氩气的气体体积流量为为100sccm；当温度由室温升至100℃时，控制氩气的气体体积流量为0～50sccm；保温反应结束后调节氩气的气体体积流量为100～200sccm。优选地，步骤3)中，升温过程的升温速率为5～10℃min-1。优选地，步骤3)中，将反应产物用去离子水清洗3～6次，然后冷冻干燥8～12h。本专利技术还公开了采用上述的制备方法制得的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料。本专利技术还公开了上述具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料作为锂/钠离子电池负极材料的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的制备具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的方法，通过钼酸铵分解制备的纯相MoO3与石墨烯先均匀混合，制备MoO3/石墨烯前驱体，然后按照一定比例将其与硫脲在惰性气氛条件下发生原位反应。采用硫脲热解产生的N2为氮源，SOX为硫源，通过固相法使得N原子与石墨烯中C原子互换实现掺杂，同时SOX与MoO3发生反应得到具有多孔结构的MoS2能够在N掺杂的石墨烯表面原位生长。本专利技术制备方法新颖，通过固相法原位合成技术一步制得具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料。因此，本专利技术具有制备简单，过程易控，周期短，产物的重复性高且有利于规模化生产等优点。进一步地，惰性气氛选择氩气，反应过程中在保温的不同阶段对通入的氩气的气体流量进行控制，通过控制氩气气体流量速度，以保证反应通过小气体体积流量的氩气来实现反应环境中高浓度的N2和SOX。经本专利技术方法制得的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料，具备优异的导电性、循环稳定性和高的放电比容量，因此能够作为锂/钠离子电池负极材料广泛使用。附图说明图1为制备的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的XRD图；图2为制备的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的SEM图；图3为制备的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料作为锂离子电池负极材料的循环测试图；图4为制备的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料作为钠离子电池负极材料的循环测试图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。实施例1一种具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：纯相MoO3的制备1)取钼酸铵，放入研钵中充分研磨，将研磨后的样品置于瓷舟中，在管式炉中以5℃min-1的升温速率升至400℃，保温1h后，在空气气氛条件下高温裂解得到MoO3；2)反应结束后冷却至室温，将产物用去离子水清洗3遍，冷冻干燥8h，即可得到纯相MoO3。步骤2：MoO3/石墨烯前驱体的制备将0.06g石墨烯分散在去离子水中，加入1.0g纯相MoO3，通过边搅拌边蒸干的方法制备MoO3/石墨烯前驱体。步骤3：N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的制备1)将MoO3/石墨烯前驱体和硫脲按照0.5：1.0的质量比研磨均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以钼酸铵为原料，经研磨、加热处理后，冷却、洗涤、干燥，制得纯相MoO3；2)将石墨烯分散在去离子水中，加入纯相MoO3，边搅拌边蒸干，制得MoO3/石墨烯前驱体；3)将MoO3/石墨烯前驱体和硫脲按照0.5：(1.0～5.0)的质量比，研磨均匀后，在惰性气氛下，从室温升温至150～350℃，保温反应0.5～2h，然后继续升温至600～800℃，保温反应0.5～2h，冷却至室温，将反应产物洗净、干燥，制得具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以钼酸铵为原料，经研磨、加热处理后，冷却、洗涤、干燥，制得纯相MoO3；2)将石墨烯分散在去离子水中，加入纯相MoO3，边搅拌边蒸干，制得MoO3/石墨烯前驱体；3)将MoO3/石墨烯前驱体和硫脲按照0.5：(1.0～5.0)的质量比，研磨均匀后，在惰性气氛下，从室温升温至150～350℃，保温反应0.5～2h，然后继续升温至600～800℃，保温反应0.5～2h，冷却至室温，将反应产物洗净、干燥，制得具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料。2.根据权利要求1所述的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，加热处理是将研磨均匀的钼酸铵，在空气气氛下，以5～10℃min-1的升温速率从室温升至400～600℃，保温1～3h。3.根据权利要求1所述的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固定多孔MoS2纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，将反应产物冷却至室温后，用去离子水清洗3～6次，然后冷冻干燥8～12h。4.根据权利要求1所述的具有三维结构的N掺杂石墨烯柔性基底固...

【专利技术属性】
技术研发人员：许占位，王天，席乔，杨军，黄剑锋，曹丽云，刘鑫悦，段欣彤，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61