[发明专利]一种壳层具有三明治结构的碳包覆硫化钨空心纳米球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料生产技术领域，具体涉及一种壳层具有三明治结构的碳包覆硫化钨（WS₂@C）空心纳米球的制备方法。

背景技术

自石墨烯发现以来，其他类石墨烯结构相继被研究，尤其是层状的过渡金属硫化物（MoS₂，WS₂）。由于其具有电化学转化和离子导电是一种重要的储锂化合物，在过渡金属硫化物中，层状二硫化钨（WS₂）是一种层状半导体材料，具有独特的三明治型层状结构（S-W-S），层间的共价原子是以弱的范德华力相结合，原子层间的空隙可以容许外来反应物进行嵌入反应，且具有优于MoS₂的离子电导率，WS₂（433mA h g^-1）锂离子电池负极理论容量高于石墨烯（372 mA h g^-1）。广泛应用于固体润滑材料、催化、储氢材料、锂离子电极材料等方面。此外，二维结构满足了快速锂存储需要的稳定性，高效表面积以及锂离子脱嵌需要的较短的开放路径。

碳材料种类多（碳纳米管、石墨烯、空心碳球等）、来源广、廉价、导电性好，适合作电极材料。在导电炭材料复合物中，由于碳材料的引入使得复合材料具有特殊的物理和化学性能，导电碳材料复合物在润滑、催化、能源存储及转换装置中得到广泛应用。相对于其他的碳材料，介孔碳可以提高材料的导电性，多孔碳骨架具有高的比表面积和丰富的孔道有利于渗透电解液，可以充分浸润活性电极材料，使得活性材料和电解液接触良好，并且可以提供巨大的反应界面，使锂离子存储的活化点增加，提高了材料在可逆嵌脱过程中Li⁺的交换和传递。此外，介孔碳内部的空腔还可以缓冲WS₂纳米片嵌/脱Li⁺过程的体积效应，防止片层的脱落和聚集，从而确保了复合结构的稳定性，使其复合材料有好的结构稳定性与电化学性能。

由于二硫化钨是多层堆叠的结构，锂离子的嵌入会引起体积或结构的变化，同时二硫化钨是半导体导电性差。

目前，通过合成具有特殊形貌的二硫化钨纳米材料来提高其电化学性能已成为本领域的热门话题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提出一种可作为锂离子电池电极材料、光催化材料或电催化材料的壳层具有三明治结构的碳包覆硫化钨空心纳米球的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）磁力搅拌下，先将乙醇、去离子水和氨水混合后，再加入正硅酸乙酯，再混合后，再加入间苯二酚和甲醛进行反应；

反应结束后离心洗涤，取得固相干燥，然后在氩气气氛保护下高温煅烧，再将高温煅烧后的产物经氢氧化钠水溶液刻蚀，最后将刻蚀后的产物离心洗涤，并将得到的固相干燥，即得空心介孔碳纳米球。

本发明以间苯二酚和甲醛为碳源，以正硅酸乙酯为硅源从而形成二氧化硅@二氧化硅/间苯二酚-甲醛低聚物纳米微球，高温煅烧后刻蚀得到粒径均一，结构稳定的空心介孔碳纳米球，为后续工艺提供了良好的模板和反应器。

2）超声条件下将氯化钨和硫脲固体溶于去离子水中，然后加入空心介孔碳纳米球，经超声分散后进行水热反应；

水热反应结束后离心洗涤，取得固相干燥后在氩气气氛保护下高温煅烧，即得壳层具有三明治结构的碳包覆硫化钨空心纳米球。

本发明用水热的方法合成了一种在空心碳球碳壳的内/外壁生长片状二硫化钨纳米片的新颖结构，其壳层形成了一种三明治结构。这种壳层具有三明治结构的碳包覆硫化钨（WS₂@C）空心纳米球具有较大的比较面积。二硫化钨纳米片在空心介孔碳壳的内外壁生长，可以増加二硫化钨的活性位点，获得少层的二硫化钨纳米片，减少二硫化钨纳米片的堆积，缩短了锂离子的扩散路径，从而提高其容量和倍率性能。多孔的碳壳不仅提高了复合材料的导电性，碳壳上的多孔结构也为锂离子的扩散提供了通道。此外，二硫化钨纳米片在碳壳内外壁，这种异质结结构也促进了复合材料的电化学特性，还可防止其充放电过程中结构的脱落，空心结构的内部的空间可以缓冲嵌/脱锂过程中的体积效应，利于循环过程中结构的稳定，从而使材料拥有好的倍率性能及循环稳定性能，使得活性材料在大电流、长循环中得到有效保护。因此，本发明以上方法合成的壳层具有三明治结构的碳包覆硫化钨空心纳米球是一种及具有应用前景的锂离子负极材料。

总之，本发明工艺原料廉价、工艺简单环保、产量大、性能优异的特点，制得的壳层具有三明治结构的碳包覆硫化钨空心纳米球可作为锂离子电池电极材料、光催化材料或电催化材料的应用。