[发明专利]氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料及其制备方法，本发明还提供了氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料在锂离子电池中的应用，本发明属于材料学和电化学技术领域。

背景技术

锂离子电池作为一种新型化学电源已被广泛应用于手机、笔记本电脑等便携式电子设备，也是发展电动汽车的电源之一。电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键，目前商业化的碳负极材料理论容量仅为372mAh/g，越来越难以满足市场对高循环性能、高能量密度和高功率密度锂离子电池的需求。因此，高性能储锂负极材料是锂离子电池研究的难点和热点。

石墨烯作为一种二维碳材料，具有高导电导热性，大比表面积和强力学性能。在石墨烯骨架中引入氮杂原子，可以进一步调控石墨烯的导电性能和能带结构，影响周围碳原子的自旋密度和电荷分布，引起石墨烯片层拓扑结构的畸变，并且在表面引入活性缺陷位点(石墨型氮、吡啶型氮及吡咯型氮)，提高石墨烯在电化学反应的中反应活性；另外氮掺杂石墨烯可结合其它功能材料，在场效应晶体管、催化、传感、能源存储和转换中具有重要的应用前景。目前，制备氮掺杂碳的方法主要有气相沉积法、等离子处理、溶剂热法、高温热解含氮前驱体、水合肼处理等，但是，这些方法大都需要高温或高压条件，设备相对复杂，生产成本高，难以实现工业化生产；另外掺杂的氮原子量一般都少于10％，氮掺杂形态可控性差并且很难形成稳定掺杂的氮。因此需要寻求更合理有效的氮掺杂石墨烯的方法。

另一方面，二硫化钼具有与石墨相似的层状结构，属六方晶系。具有良好的催化活性，是一种传统的加氢脱硫催化剂，在光电氢气析出反应中也具有优异的催化活性。二硫化钼层内是很强的共价键(S-Mo-S)，层间作用则是较弱的范德华力，层间容易引入外来原子或分子，在锂离子电池、钠电池、超级电容器等能源存储与转换领域具有重要应用。但是硫化钼相邻S-Mo-S层间弱的电子和离子导电性仍然限制着他们作为电极材料的活性。因此将石墨烯材料和二硫化钼结合构造新型纳米结构，有望显著提高复合材料的电化学性能，在能源、催化、电子等领域具有重要的意义。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种更合理有效的氮掺杂量大且能够控制氮掺杂形态的氮掺杂石墨烯的方法，以及能有效将石墨烯和二硫化钼结合并提高电化学性能的新型复合材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料，其结构中包括氮掺杂石墨烯和二硫化钼，所述二硫化钼垂直生长于所述氮掺杂石墨烯的表面；所述氮掺杂石墨烯中，所述掺杂氮主要包括吡啶型氮和石墨型氮；所述二硫化钼为纳米片层结构。

本发明还提供了上述氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将氧化石墨烯溶液、含氮前驱体、含硫和含钼前驱体在溶剂中混合，然后得到前驱体材料；

步骤二、将步骤一中得到的所述前驱体材料在惰性气体保护下进行热处理。

进一步地，所述步骤一中的所述氧化石墨烯溶液的制备过程为：将1～5g石墨片与2～6g硝酸钠通过搅拌进行混合，并边搅拌边加入100～200mL浓硫酸，搅拌半小时后，加入10～30g高锰酸钾，然后搅拌一天，并放置一周，之后依次加入500mL水和20～50mL H₂O₂，最后将反应产物离心透析得到所述氧化石墨烯溶液。

进一步地，所述步骤一中，所述溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、乙二醇、丙三醇、四氢呋喃、丙酮、二甲基甲酰胺中的一种或两种以上的混合。

进一步地，所述含硫和含钼前驱体为钼酸铵、硫钼酸铵或硫化铵，所述步骤一还包括去除溶剂的过程，从而得到所述前驱体材料。

进一步地，所述含硫和含钼前驱体为钼酸钠和硫化钠，所述步骤一还包括所述氧化石墨烯溶液、所述含氮前驱体、所述含硫和含钼前驱体在所述溶剂中在酸性条件下形成沉淀物，然后去除溶剂和杂离子的过程，从而得到所述前驱体材料；所述杂离子包含钠离子和氯离子。

进一步地，所述步骤一中的所述含氮前驱体为氰胺、双氰胺、尿素、硫脲、三聚氰胺、石墨化碳三氮四；所述的含硫和含钼前驱体包括钼酸钠、钼酸铵、硫钼酸铵、硫化钠、硫化铵。

进一步地，所述步骤一中的所述氧化石墨烯溶液、所述含氮前驱体和所述含钼前驱体的质量比为1:(1～50):(5～30)，所述含硫前驱体与所述含钼前驱体中硫与钼的摩尔比大于2:1。