[发明专利]一种具有疏松三维缠绕结构的二硫化钼/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有疏松三维缠绕结构的MoS₂/GNRs复合材料。该复合材料是准一维的GNRs相互缠绕交织形成疏松的三维网络结构，这种结构中分散地生长着层数少、层间距大的二维层状MoS₂，其间具有大量空隙通道，有利于溶液中电解质的扩散，而纳米带本身具有的良好导电性有利于电子在复合材料中快速传输。该复合材料制备方法是将(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O、CS(NH₂)₂、H₂C₂O₄·2H₂O、石墨烯纳米带为原料，Mo/S/H₂C₂O₄物质的量比为1:2:1，采用水热法和氮气氛下退火处理制备获得具有疏松三维缠绕结构的MoS₂/GNRs复合材料。

技术领域

本发明属于石墨烯材料、二硫化钼复合材料领域，具体涉及一种具有疏松三维缠绕结构的MoS₂/GNRs复合材料，及其相关的制备方法和应用。采用的是一种过程简单、污染小的制备方法。该复合材料可用作锂离子电池的电极材料、电解水析氢反应的电催化剂。

背景技术

近年来，MoS₂作为一种新型材料被广泛研究，特别是在作为锂离子电池负极材料、催化剂、润滑剂及电化学双层电容器材料时，均表现出了优异的性能。MoS₂具有二维层状结构，层内的S-Mo-S原子通过共价键紧密结合，层与层之间通过弱范德华力相互堆积，允许外来的分子或离子嵌入层间，发生插层反应。半径较小的锂离子可嵌入、扩散到二硫化钼层间形成Li_XMoS₂，而且MoS₂还具有化学性质稳定和理论电容量高（670 mAh g^-1）的优点，使之成为高比容量的锂离子电池负极材料的最佳选择之一，应用前景良好。此外，MoS₂的不饱和边缘结构存在S缺陷，氢离子在MoS₂边缘的吸附能与氢离子在贵金属催化剂Pt上的吸附能相近，有望作为电催化析氢反应中常用的Pt催化剂的替代物，成为新型高效的催化剂。

然而，MoS₂的导电性低、比表面积有限，使得其在作为锂离子电池负极材料时存在着容量损失大和倍率性能差的缺陷。MoS₂的低导电性和表面的催化惰性也使其被用作析氢反应催化剂时的活性受到影响。因此，需要采取一定的措施来提高MoS₂的导电性和分散性。碳质材料如碳纳米管、石墨烯等具有很高的导电性、大的比表面积及良好的稳定性。如果与碳质材料复合则可以大大提高MoS₂的导电性，还可以改善其分散性，增大其比表面积，获得更多的活性位点，使其电化学性能得到改善。MoS₂复合材料电化学性能改善的关键在于碳材料的高效电子传导性，能促进电子和离子在电极中的传输。GNRs是具有特殊结构和独特电子性能的一种碳质材料。GNRs继承了石墨烯的许多优异性质，具有优异的导电性、良好的化学稳定性、机械柔性、极大的比表面积。同时，它是石墨烯的宽度限制到100 nm以下得到的准一维产物，其特殊结构所带来的边缘效应使它具有比石墨烯更灵活可调的性质和更大的实用价值。因此，GNRs是MoS₂的良好载体。本发明利用准一维的GNRs相互缠绕交织所形成的疏松三维缠绕结构，在这种结构中分散地生长层数少、层间距大的二维层状MoS₂，其间存在的大量空隙有利于电解液物质的扩散，改善复合材料在锂离子电池的电极材料、析氢反应催化剂等方面的性能，从而具有高的应用价值。

发明内容