[发明专利]一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用，所述过渡金属硫化物/石墨烯复合材料的制备方法包括如下步骤：(1)将过渡金属盐溶于甲醇中，经溶剂热反应得到过渡金属的羟甲基氢氧化物；(2)将过渡金属的羟甲基氢氧化物与氧化石墨烯分散液混合，得到羟甲基氢氧化物/石墨烯复合材料；(3)对羟甲基氢氧化物/石墨烯复合材料进行硫化，得到过渡金属硫化物/石墨烯复合材料。本发明的过渡金属硫化物/石墨烯复合材料具有高比电容和良好的循环稳定性，同时还具有高能量密度。

技术领域

本发明属于储能设备材料技术领域，尤其涉及一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器凭借其高功率密度、高充放电率和使用寿命长等特点引起了人们的广泛关注，被认为是最有前途的电化学储能设备之一，具有补充或最终取代电池储能应用的潜力，可应用于可穿戴和便携式电子产品、电动汽车和混合动力汽车。

石墨烯是一种二维的碳单分子层，由sp²杂化碳组成，具有许多优越特性，例如重量轻、高电导率和导热系数、表面积可控、机械强度强和化学稳定性好等。这些优异的性能使石墨烯和石墨烯基材料在高性能纳米结构复合材料、电子、环保和能源设备(包括能源产生和存储)中得到应用。

超级电容器的电化学性能很大程度上取决于电极材料的种类、形貌及结构。由于硫元素的电负性比氧元素低，相比于过渡金属氧化物，过渡金属硫化物具有更为灵活的结构及更高的电导率。此外，石墨烯基材料与过渡金属硫化物组成的复合材料表现出优越的电化学性能，成为了目前研究的热点。

但现有的硫化物电极材料由于微观形貌不便于离子和电子传递，存在容量普遍不高，稳定性不佳的问题，因此合成一种高容量、稳定性好的电极材料十分重要。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本发明的第一个目的是提供一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料的制备方法，所得过渡金属硫化物/石墨烯复合材料在作为电极材料时表现出高比电容和良好的循环稳定性。

本发明所提供的一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)将过渡金属盐溶于甲醇中，经溶剂热反应得到过渡金属的羟甲基氢氧化物；

(2)将过渡金属的羟甲基氢氧化物与氧化石墨烯分散液混合，得到羟甲基氢氧化物/石墨烯复合材料；

(3)对羟甲基氢氧化物/石墨烯复合材料进行硫化，得到过渡金属硫化物/ 石墨烯复合材料。

现有技术一般以水为溶剂，采用一步水热法使过渡金属盐、氧化石墨烯和硫源反应得到过渡金属硫化物和石墨烯的复合材料，所得复合材料是在石墨烯纳米片上形成过渡金属硫化物纳米颗粒。而本发明先通过溶剂热反应使过渡金属盐与甲醇进行酯化反应制备得到具有超薄二维纳米片形貌的羟甲基氢氧化物，再依次与氧化石墨烯混合和硫化后得到过渡金属硫化物二维纳米片和石墨烯纳米片的复合物，不存在过渡金属硫化物纳米颗粒。过渡金属硫化物二维纳米片相较现有的过渡金属硫化物纳米颗粒更有利于电子和离子传递，结合石墨烯具有的高导电性以及石墨烯对过渡金属硫化物二维纳米片形貌的改善作用，使复合材料具有高比电容和良好的循环稳定性，同时还具有高能量密度。

步骤(1)中，所述过渡金属盐选自过渡金属的硫酸盐、乙酸盐和氯化盐中的至少一种，优选乙酸盐。所述过渡金属盐溶于有机溶剂中的浓度为0.01～0.5 mol/L。

所述过渡金属选自锰、钴中的至少一种。

步骤(1)中，所述溶剂热反应温度为100～200℃，时间为6～60h。

步骤(2)中，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.5～2.0mg/mL，所述过渡金属的羟甲基氢氧化物与氧化石墨烯分散液的质量比为4:1～1:4。