一种介孔二硫化钼/碳复合材料的制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种介孔二硫化钼/碳复合材料的制备方法及其在钠离子电池体系中作为负极活性材料的应用。基于共沉淀和高温固相反应的方法，将钼盐、硫源和碳源同时沉积在SBA

【技术实现步骤摘要】
一种介孔二硫化钼/碳复合材料的制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及电化学材料
，具体而言，尤其涉及一种介孔二硫化钼/碳复合材料的制备方法与应用。

技术介绍

[0002]自1991年日本索尼公司推出首款商用锂离子电池以来，锂电池得到飞速的发展(Journal of Power Sources.100.101(2001))。随着社会的不断发展，人们生活水平的日益提高，人们对锂离子电池的需求也越来越大。尤以近些年来，锂电池从便携电子设备(手机、手表、电脑等)向以电动汽车为代表的大规模储能领域的扩展与发展对锂电池的供应提出了严峻的考验(Ionics.20.1651(2014))。但天然锂资源的匮乏以及全球锂源分布的不均匀性，无法满足未来锂电池大规模发展的需要(Nature Chemistry.2.510(2010))。元素周期表中与锂同一周期的钠具有与锂非常相似的物理化学性质，同时钠在地球上的储量十分丰富并且其分布广泛，两种电池体系在工作原理上也具有高度的相似性(Advanced Energy Materials.2.710(2012))。作为锂离子电池最有潜力的二次电池替代体系之一，开发高性能的钠离子电池对于满足未来大规模储能的需要具有重要意义。
[0003]电极材料作为钠离子电池的重要组成部分，在决定电池性能方面起着至关重要的作用。电极材料包括正极材料与负极材料。在正极材料方面，钠离子电池体系中的众多正极材料可由锂电池体系衍生而来，这些正极材料往往表现出与锂电池体系中正极材料相似的电化学性能。而在负极材料方面，由于钠的离子半径大于锂的离子半径，许多用于锂电池体系的负极材料并不能直接用于钠电池体系，这严重阻碍钠离子电池体系实现商业化的进程(Journal of Power Sources.243.585(2013))。二硫化钼作为钠离子电池体系中最有前景的负极材料之一，其特有的S-Mo-S二维层状结构以及0.62nm的层间距，保证了其作为钠离子负极材料时在充放电过程中钠离子的有效传输(Nano Energy.20.1(2016))。二硫化钼通过“插层-转化”的机理储钠，具有高达670mAh
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的理论比容量。但二硫化钼的导电性差，在充放电过程中伴随着巨大的体积膨胀效应，导致其作为钠电负极材料时循环寿命短，倍率性能差(Nano Energy.41.66(2017))。一种可行的方案是将二硫化钼与碳材料进行复合来增强材料的性能，相关研究也表明碳的引入的确能增强材料的导电性和稳定性(Advanced Functional Materials.27.1702116(2017))。但这些复合材料的制备往往是以碳骨架作为模板来生长二硫化钼，在容量和循环性能方面仍不能满足实际的需求，原位制备碳和二硫化钼的复合物的方法仍是研究的难点。因此，具有更高容量以及长时间循环稳定性的二硫化钼/碳复合材料仍需要进一步探索。

技术实现思路

[0004]本专利技术将二硫化钼和碳的前驱体共沉积在SBA-15的表面，经过高温固相反应后，使用氢氟酸溶液除去SBA-15模板得到二硫化钼/碳复合材料，该方法具有操作简单，可大量制备的特点。制备所得的二硫化钼/碳复合材料保持了原有的SBA-15的孔道结构，二硫化钼
与碳的结构优异地复合在一起，作为钠离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种二硫化钼/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)利用共沉淀法将钼盐、硫源和碳源沉积在SBA-15的表面，得前驱体混合物；
[0008](2)在惰性气氛下对前驱体混合物采用程序升温处理至终点温度后恒温；钼盐与硫源反应生成二硫化钼，同时碳源炭化成碳；
[0009](3)在还原气氛下对步骤(2)所得产物采用程序升温处理至终点温度后恒温；终点温度高于步骤(2)的终点温度；
[0010](4)对步骤(3)中所得产物进行酸处理，酸浸蚀除去SBA-15，得到二硫化钼/碳复合材料。
[0011]进一步地，步骤(1)中，钼盐、硫源和碳源的质量比为1:1-3:0.1-2。
[0012]进一步地，钼盐为四硫代钼酸铵、钼酸铵、磷钼酸铵、磷钼酸钠或钼酸钠中的一种；硫源为硫脲、硫化钠、硫化钾、硫化铵或硫代乙酰胺中的一种；碳源为可溶性淀粉、蔗糖、无水葡萄糖、盐酸多巴胺、三聚氰胺或双氰胺中的一种。
[0013]进一步地，共沉积温度为60～100℃，时间为12～24h。
[0014]进一步地，步骤(2)中，惰性气氛为氩气、氮气或氦气中的一种；所述程序升温处理是以升温速率1～10℃/min升温至终点温度400～550℃后，保温2～5h。
[0015]进一步地，步骤(3)中，还原气氛为氢气与惰性气氛的混合气氛，氢气占混合气氛的百分比为5％～20％；所述程序升温处理是以升温速率5～15℃/min升温至终点温度为700～900℃，保温0.5～2.5h。
[0016]进一步地，步骤(4)中，所述酸处理中的酸为浓度5％～20％的氢氟酸溶液，酸处理时间为6～12h；洗涤后干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～24h。
[0017]本专利技术还提供了一种由上述制备方法得到的二硫化钼/碳复合材料。
[0018]进一步地，所述二硫化钼/碳复合材料具备类似SBA-15的介孔结构特征。
[0019]本专利技术还提供了一种上述二硫化钼/碳复合材料在钠离子电池体系中作为负极材料的应用。
[0020]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021]1、本专利技术反应过程可同步生成二硫化钼与碳，相较于使用简单的碳包覆方法制备的二硫化钼/碳的复合物，本专利技术制备所得的二硫化钼/碳复合材料结构更加稳定。
[0022]2、本专利技术制备所得的介孔二硫化钼/碳复合材料良好地保留了原有模板SBA-15的介孔特征。当作为钠离子电池负极材料时，这些孔道结构不仅增加了材料与电解液的接触面积，有利于钠离子在充放电过程中的快速传输，也增强了材料在长时间充放电过程中的结构稳定性，在作为钠离子电池负极材料中表现出优异的电化学性能。
[0023]3、本专利技术制备方法简单，适用范围广泛，所得介孔二硫化钼/碳复合材料在能源储存领域具有潜在的应用前景。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为实施例1中二硫化钼/碳复合材料的扫描电镜图。
[0026]图2为实施例1中二硫化钼/碳复合材料的透射电镜图。
[0027]图3为实施例1中二硫化钼/碳复合材料在测试电压范围为0.4～3V，电流密度为100mA
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用共沉淀法将钼盐、硫源和碳源共沉积在SBA-15的表面，得前驱体混合物；(2)惰性气氛下对步骤(1)中获得的前驱体混合物采用程序升温处理至终点温度后恒温；(3)在还原气氛下对步骤(2)所得产物采用程序升温处理至终点温度后恒温；终点温度高于步骤(2)的终点温度；(4)对步骤(3)中所得产物进行酸处理，洗涤干燥后得到二硫化钼/碳复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，钼盐、硫源和碳源的质量比为1:1-3:0.1-2。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，钼盐为四硫代钼酸铵、钼酸铵、磷钼酸铵、磷钼酸钠或钼酸钠中的一种；硫源为硫脲、硫化钠、硫化钾、硫化铵或硫代乙酰胺中的一种；碳源为可溶性淀粉、蔗糖、无水葡萄糖、盐酸多巴胺、三聚氰胺或双氰胺中的一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，共沉积温度为60～100℃，时间为12～...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓德会，魏泽宇，涂云川，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：