[发明专利]一种石墨烯插层二硫化钼复合材料的制备及应用方法

说明书

一种石墨烯插层二硫化钼复合材料的制备及应用方法。将商用二硫化钼浸泡在正丁基锂溶液中，氩气环境下搅拌，清洗，干燥，得到硫化钼锂，加水剧烈反应得到剥离二硫化钼分散液A。在A溶液中加入阳离子表面活性剂，单层氧化石墨烯分散液，二硫化钼层与氧化石墨烯层互相吸附；加入还原剂，水热处理，氧化石墨烯还原为石墨烯且伴随石墨烯嵌入二硫化钼层间；清洗，冷冻干燥，得到石墨烯插层二硫化钼复合材料。本发明的优点是：重复性好、反应条件易于控制。所得材料呈现“三明治”结构复合纳米片组装成的微米花，纳米片厚度为10‑20nm，二硫化钼层间距扩大为1.16nm，亲水性良好，有利于水合锌离子的快速、稳定脱嵌，使得储锌容量，倍率性能和循环稳定性得到显著提升。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池技术领域，特别涉及石墨烯插层二硫化钼复合材料的制备及应用方法。

背景技术

近年来，随着智能电网、电子产品的快速发展，人类对间歇性可再生清洁能源(如太阳能、潮汐能、风能、地热能)的需求日益增长，开发大规模储能设备势在必行。水系锌离子电池凭借安全性高、成本低廉、理论容量高、组装方便等优点，在大规模储能领域极具发展前途。然而，锌离子较强的溶剂化作用以及二价电荷与正极材料产生较强的静电相互作用，限制了锌离子在正极材料中的扩散动力学，从而导致较低的储锌容量或较差的循环稳定性。因此，开发适宜的正极材料以满足锌离子快速、稳定脱嵌是推动水系锌离子电池发展的关键之一。

层状材料由于其独特的二维离子传输通道被广泛研究作为水系锌离子电池正极，尤其钒基和锰基氧化物吸引了研究者的极大兴趣。水合五氧化二钒中存在大量结构水，可以有效屏蔽二价锌离子与宿主材料之间的静电相互作用，循环性能优异，但其毒性会造成环境污染的风险。锰基氧化物具有较高的储锌容量，但循环过程中产生的结构演变和材料溶解导致其循环稳定性较差。因此，研发一种高安全、高容量、循环寿命长、环境友好的水系锌离子电池正极材料非常有必要。

二硫化钼作为一种经典的二维层状材料，在锂离子电池、钠离子电池领域得到了广泛研究，表现出良好的储锂和储钠能力，但由于较差的亲水性和较小的层间距很少被开发作为水系锌离子电池正极。在现有研究中，扩大层间距(H.Li，Q.Yang，F.Mo，et al.MoS₂nanosheets with expanded interlayer spacing for rechargeable aqueous Zn-ionbatteries，Energy Storage Materials，2019(19)：94-101)、氧掺杂(H.Liang，Z.Cao，F.Ming，et al.Aqueous Zinc-Ion Storage in MoS₂ by Tuning the IntercalationEnergy，Nano Letters，2019(19)：3199-3206)、制造硫空位(W.Xu，C.Sun，K.Zhao，etal.Defect engineering activating(Boosting)zinc storage capacity of MoS₂，Energy Storage Materials，2019(16)：527-534)等策略可以改善二硫化钼的储锌能力，但是储锌位点不充足、空间结构不稳定使得二硫化钼正极的可逆容量和循环稳定性很难达到实际应用要求。

发明内容

本发明提供了石墨烯插层二硫化钼复合材料的制备及应用方法。以阳离子表面活性剂为媒介，通过静电吸引作用使剥离二硫化钼层与氧化石墨烯分散层相互吸附，通过水热还原将氧化石墨烯还原为石墨烯并伴随石墨烯嵌入二硫化钼层间，得到石墨烯插层二硫化钼的“三明治”结构复合纳米片。其中，二硫化钼层间距由0.62nm扩大为1.16nm，复合纳米片厚度为10-20nm，且自组装成微米花骨架，可有效抑制二硫化钼和石墨烯的重新堆积，增强材料的结构稳定性，同时还原氧化石墨烯中残留的含氧官能团有效提高了亲水性，有利于电解液的充分浸润，使得储锌容量、倍率性能和循环寿命得到显著提升。

基于上述目的，本发明采取了如下技术方案：