[发明专利]一种三维大孔石墨烯‑碳纳米管‑二硫化钼复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

二硫化钼(MoS₂)具有类似石墨的层状结构,属六方晶系,其-层内是很强的共价键,而层间则是较弱的范德华尔斯力,锂离子可以在层间脱嵌,是一种性能优异的锂离子电池负极活性材料。作为锂离子电池负极活性材料二硫化钼的理论容量为667mAh/g，是现用石墨负极的两倍，由于硫原子与锂离子发生可逆的复合反应，其实际容量往往大于理论容量。

阻碍二硫化钼在锂离子电池负极材料应用的最大障碍为稳定性差，以二硫化钼粉末为活性物质通过涂稿方式制备的电极容量约为367mAh.g^-1且循环50次后容量衰减至300mAh.g^-1以下。因此很多研究者都在寻找可以有效提高其循环效率，特别是提高循环稳定性的方法。目前解决这一问题一般有两种途径，一种是将硫化钼制备为纳米尺寸的材料，这样既可以减缓体积效应，又有利于锂离子扩散输运；第二种是将二硫化钼负载于基体材料上，基体材料既可以阻止活性物质间的团聚又可以缓解体积膨胀从而提高循环稳定性。

发明内容

本发明要解决现有二硫化钼作为锂离子电池负极活性物质存在稳定性差和首次循环效率过低的问题，而提供一种三维大孔石墨烯-碳纳米管-二硫化钼复合材料及其制备方法和应用。

一种三维大孔石墨烯-碳纳米管-二硫化钼复合材料是由孔径为0.1mm～5mm的泡沫金属经预处理及化学气相沉积，得到三维大孔石墨烯/泡沫金属复合物，然后将三维大孔石墨烯/泡沫金属复合物置于硝酸镍及氯化钴的水溶液中，烘干，化学气相沉积，得到三维大孔石墨烯/碳纳米管/泡沫金属复合物，将三维大孔石墨烯/碳纳米管/泡沫金属复合物浸渍于刻蚀液中，得到三维大孔石墨烯/碳纳米管，利用水热法在三维大孔石墨烯/碳纳米管上负载二硫化钼，得到负载有二硫化钼的三维大孔石墨烯/碳纳米管，最后退火负载有二硫化钼的三维大孔石墨烯/碳纳米管，得到三维大孔石墨烯-碳纳米管-二硫化钼复合材料；

所述的泡沫金属为泡沫镍、泡沫铜、泡沫镍铝合金或泡沫镍铬合金；

所述的硝酸镍及氯化钴的水溶液中硝酸镍的质量与去离子水的体积比为1g:(45～55)mL；所述的硝酸镍及氯化钴的水溶液中氯化钴的质量与去离子水的体积比为1g:(55～65)mL；

所述的刻蚀液为浓度为1mol/L～3mol/L的FeCl₃浓硝酸溶液，所述的浓硝酸的浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。

一种三维大孔石墨烯-碳纳米管-二硫化钼复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、制备三维大孔石墨烯/泡沫金属复合物：将孔径为0.1mm～5mm的泡沫金属依次浸渍于丙酮3min～15min、乙醇3min～15min及质量百分含量为1％～5％的盐酸3min～7min，得到基底材料，然后将基底材料置于化学气相沉积装置中，通入碳源气体及载气，在温度为850℃～1100℃下沉积4min～15min，得到三维大孔石墨烯/泡沫金属复合物；

所述的泡沫金属为泡沫镍、泡沫铜、泡沫镍铝合金或泡沫镍铬合金；

所述的碳源气体及载气的总气体流量为20sccm～800sccm；所述的碳源气体为甲烷，甲烷的气体流量为0.5sccm～20sccm；所述的载气为氩气与氢气的混合气体，氢气的气体流量为1sccm～15sccm；

二、制备三维大孔石墨烯/碳纳米管/泡沫金属复合物：

①、将硝酸镍、氯化钴溶解于去离子水中，得到硝酸镍及氯化钴的水溶液，将三维大孔石墨烯/泡沫金属复合物浸渍于硝酸镍及氯化钴的水溶液中30min～60min，然后取出并在温度为30℃～50℃的热板上烘干；②、重复步骤二①5次～10次，得到浸渍后的复合材料；③、将浸渍后的复合材料置于化学气相沉积装置中，在温度为600℃～850℃下，以4.5mL/min～5.5mL/min的速率通入乙醇蒸汽生长15min～20min，得到三维大孔石墨烯/碳纳米管/泡沫金属复合物；

所述的硝酸镍及氯化钴的水溶液中硝酸镍的质量与去离子水的体积比为1g:(45～55)mL；所述的硝酸镍及氯化钴的水溶液中氯化钴的质量与去离子水的体积比为1g:(55～65)mL；

三、制备三维大孔石墨烯/碳纳米管：