[发明专利]一种氮掺杂二硫化钼/三维石墨烯复合材料

说明书

一种氮掺杂二硫化钼/三维石墨烯复合材料，采用甲醛为桥梁，使其与三聚氰胺发生适度交联形成掺氮前体，再进行水热反应，使掺氮前体、活性组分与三维石墨烯相互作用均匀融合，再进行无溶剂微波反应，合成高氮含量掺杂二硫化钼/三维石墨烯复合材料。本发明的复合材料在制备过程中避免了传统氮掺杂过程中掺氮前体受热过程的升华导致的损失，提高氮掺杂效率，反应条件由温和到强烈递进，实现掺氮前体、活性组分与石墨烯相互作用均匀融合。制备的氮掺杂二硫化钼/三维石墨烯复合材料稳定性好，在空气中不易变性，容易存放，比表面积大，作为锂离子电池负极材料，为锂离子传输提供了良好的通道，表现出较大的比容量和较好的循环稳定性能。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂二硫化钼/三维石墨烯复合材料，尤其涉及一种高氮含量掺杂的二硫化钼/石墨烯锂电池负极材料，并提供其制备方法，属于纳米复合材料及其应用技术领域。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料，自2004英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等发现以来，石墨烯已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。石墨烯只有一个碳原子厚度，是己知材料中最薄的一种，但却非常牢固坚硬，比钻石还强硬，其强度比世界上最硬的钢铁还高100倍。由于其具有特殊的纳米结构以及优异的性能，在催化、储锂、复合材料和电化学等领域具有潜在的应用前景。

石墨烯具有疏水的性质，在实际的研究当中很难直接用来修饰和加工。其衍生物氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)因表面富含竣基、羟基和羰基等含氧官能团而拥有良好的水溶分散性，这为GO的进一步改性提供了很好的可操作性。比如通过添加一定的交联剂和提供一定的温度和压力，GO可以发生皱缩形成三维的水凝胶。三维石墨烯具有较高的实际比表面积、丰富的孔道结构和优异的电子传输速度，为提高催化剂的电子传输和质量传输创造了良好的条件。

进一步将三维结构石墨烯进行掺氮改性制备成掺氮三维结构石墨烯，可以克服石墨烯的缺陷，打开能带隙、调整导电类型，改变电子结构、提高石墨烯的自由载流子密度，提高石墨烯的导电性能和稳定性。目前，还很少有简单实用的方法将具有多种优势的三维掺氮石墨烯材料与高比容量的MoS₂材料复合，并将其应用于锂离子电池负极材料。CN102887502 B提供了一种化学气相沉积法制备掺氮石墨烯材料，首先提供清洁、干燥的衬底;在衬底表面涂覆含有催化剂的溶液，在无氧条件下，将衬底升温度至500-1300^oC，再通入还原气体，还原催化剂，接着通入气态的有机碳源化合物和气态的氮源化合物进行反应，最终得到掺氮石墨烯。CN 104393254 B提供了一种固相反应法制备了氮掺杂二硫化钼/石墨烯复合材料，首先将氧化石墨烯溶液、含氮前驱体、含硫和含钼前驱体在溶剂中混合，然后蒸发得到前驱体材料，再去除溶剂和杂原子得到前驱体材料，后续在惰性气氛下500-700^oC煅烧得到氮掺杂二硫化钼/石墨烯复合材料。但是，目前这些方法一般具有步骤多、耗时长（CN 104393254 B整个复合材料制备过程需要一周以上）、且氮掺杂含量难以掌控，固相反应中由于掺氮前体受热过程中的强烈升华导致的掺氮前体大量损失，从而造成的掺氮效率低的问题，导致很难制备出高氮含量掺杂的三维石墨烯以及二硫化钼/三维石墨烯复合材料，从而限制了此类材料的广泛应用。

发明内容

为解决现有技术中氮掺杂的石墨烯复合材料的制备存在设备复杂，工艺繁琐，操作繁杂耗时，产品利用率低，原料获取困难，氮掺杂过程中掺氮前体大量流失导致的氮掺杂含量低以及活性组分与石墨烯长时间的热处理过程中纳米颗粒的聚集堆积等问题，本发明提供一种高效，快速，大量合成高氮含量掺杂二硫化钼/三维石墨烯复合材料的方法，所得材料氮含量高，原料利用率明显提高，产品无需洗涤、分离、干燥等过程，直接可用于锂电池负极材料，应用性能良好。

为实现上述技术目的，本发明第一方面提供了一种氮掺杂二硫化钼/三维石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯和半胱氨酸分散在甲醛水溶液中得到分散液A；