CN104993141B - 一种一维ws2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法:将WCl6异丙醇溶液与硫代乙酰胺、聚环氧乙烷‑聚环氧丙烷‑聚环氧乙烷三嵌段共聚物和十二烷基苯磺酸钠混合,于微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪中同时打开微波和紫外合成模式,于40~120℃保温0.5~6h,保温结束后自然冷却到室温;依次采用去离子水和无水乙醇洗涤后干燥。本发明利用复合模板剂辅助微波溶剂热法比水热法和溶剂热法高效,形貌可控,可行性强且可以更有利于纳米晶的取向生长,且所制备的纳米管具有较好的电化学性能。

Description

一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种长寿命一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法,特别涉及一种低温常压的复合模板剂辅助微波-紫外合成法制备一维WS2纳米管的方法。
背景技术
WS2的晶体结构和MoS2类似,也是密排六方的层状结构。钨原子和硫原子间有强的化学键相连接,而层间硫原子与硫原子之间由弱的分子键相连接。层与层之间的结合力仍为范德华力,与MoS2相比,WS2的层间距较大,摩擦系数更低,在0.03~0.05之间。
WS2几乎在所有的介质中都不溶解,包括水、油、碱和几乎所有的酸。但它对游离的气态氟、热硫酸与氢氟酸比较敏感。WS2的热稳定性也较好,其在大气中的分解温度为510℃,539℃迅速氧化,真空中分解温度为1150℃。WS2的抗辐射性强于石墨、MoS2,具有良好的润滑性能,不仅适用于通常润滑条件,而且可以用于高温、高压、高真空、高负荷,有辐射及有腐蚀性介质等苛刻的工作环境。这也充分表明WS2可作为稳定的电池电极材料。
纳米WS2已成为国内外化学、物理、材料科学等领域研究的热点,除了广泛应用于固体润滑方面外,在催化剂、电极材料、电子探针等方面都有巨大的应用潜力。尤其是WS2纳米管属于一种非碳无机类富勒烯(Inorganic Fulerene-like,简称IF)纳米管受到人们的广泛关注。由于具有与碳富勒烯或碳纳米管相类似的嵌套的中空或管状结构,它们具有特异的物理化学特性。这些具有类富勒烯和纳米管结构的非碳无机类富勒烯纳米化合物在纳米电子学、纳米技术、催化、能源和高性能的复合材料等领域具有广泛的应用前景。因此,WS2纳米管作为电极材料也具有潜在的应用价值。
目前所报道的制备WS2纳米管的方法主要有热分解法[朱雅君,张学斌,冀翼等.纳米二硫化钨和二硫化钼的制备方法及应用[J].广州化工,2012,3(40):4-6.],固-气硫化法[Yan-Hui Li,Yi Min Zhao,Ren Zhi Ma,Yan Qiu Zhu,Niles Fisher,Yi Zheng Jin,XinPing Zhang.Novel Route to WOx Nanorods and WS2 Nanotubes from WS2 InorganicFullerenes[J].J.Phys.Chem.B.2006,110:18191-18195.],原位蒸发合成法[A Margolin,F L Deepak,R Popovitz-Biro,M Bar-Sadan1,Y Feldman,R Tenne.Fullerene-like WS2nanoparticles and nanotubes by the vapor-phase synthesis of WCln and H2S[J].Nanotechnology.2008,19:95601-95611.],喷雾热解法[Seung Ho Choi,Yun ChanKang.Sodium ion storage properties of WS2-decorated three-dimensional reducedgraphene oxide microspheres[J].Nanoscale.2015,7:3965–3970];还有沉淀还原法[郑遗凡,宋旭春,刘波,韩贵,徐铸德.嵌套球形层状封闭结构纳米二硫化钨的合成与机理探讨[J].无机材料学报,2004,3(19):653-656.];化学气相沉积法(CVD)[ArunvinayPrabakaran,Frank Dillon,Jodie Melbourne,et al.WS2 2D nanosheets in 3Dnanoflowers[J].Chem.Commun.2014,50:12360-12362]。沉淀还原法,热分解法和固相硫化法均在高温气氛条件下合成WS2,粉体易团聚并且工艺条件难以控制,对制备WS2所需原料的利用率很小;并且固相法在还原性气氛条件下烧结或者发生硫化反应,也会引起纳米晶的团聚,颗粒异常长大,材料的取向生长难以调控。同时原位蒸发法和化学气相沉积法对设备要求高并且反应物的配比难以控制,另外,所制备的WS2纳米材料中容易引入杂质,且粉体易团聚。为了达到实用化的目的,必须开发生产成本低且方便可行的WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备工艺。另有报道用原位水热法制备WS2/石墨烯纳米复合材料[Dawei Su,Shixue Dou,Guoxiu Wang.WS2@graphene nanocomposites as anode materials for Na-ion batteries with enhanced electrochemical performances,Chem.Comm.2014,50:4192-4195.],还有采用低温溶剂热法改性WS2空心球[Jifen Wu,Xun Fu,A low-temperature solvothermal method to prepare hollow spherical WS2 nanoparticlesmodified by TOA[J].Materials Letters.2007,61:4332-4335.]。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法。
为达到上述目的,本发明采用了以下技术方案:
步骤一:将WCl6加入异丙醇中,并不断搅拌至WCl6溶解,得W6+浓度为0.04~2.0mol/L的溶液A;
步骤二:将溶液A在35~50℃搅拌,并在搅拌中加入硫代乙酰胺、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物和十二烷基苯磺酸钠,然后继续搅拌1~3h后形成溶胶前驱溶液;控制所述溶胶前驱溶液中硫代乙酰胺的浓度为0.08~4.0mol/L,控制所述溶胶前驱溶液中聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物和十二烷基苯磺酸钠总的浓度为4.0~8.0g/L,聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物与十二烷基苯磺酸钠的质量比为(3~9):(1~7);
步骤三:将溶胶前驱溶液倒入微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪的反应容器中,反应容器的填充度控制在30~60%,再将反应容器放入所述三位一体合成反应仪中;然后,同时打开微波和紫外合成模式,利用微波经3~20min将反应容器内的溶胶前驱溶液从室温加热到40~120℃,然后保温0.5~6h,保温结束后自然冷却到室温;
步骤四:经过步骤三后,打开微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪,取出产物,产物为灰黑色沉淀,依次采用去离子水和无水乙醇重复洗涤产物4~6次后于40~80℃干燥即获得一维WS2纳米管钠离子电池负极材料。
所述三位一体合成反应仪的微波功率控制在200~1000W,并且紫外功率控制在300W。
所述步骤一以及步骤二中,搅拌采用梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司生产的型号为RCT B S25的磁力搅拌器。
所述步骤三中,微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪采用上海新仪微波化学科技有限公司制造的型号:UWave-1000。
所述步骤四中,干燥采用天津市泰斯特仪器有公司制造的DZ-3BC Ⅱ型真空干燥箱,干燥时间为4~8h。
本发明的有益效果体现在:
由于本发明制备WS2纳米管钠离子电池负极材料的反应在液相中一次完成且工艺设备简单,不需要后期的晶化热处理,从而避免WS2纳米管在热处理过程中可能导致的团聚、晶粒粗化以及气氛反应引入杂质等缺陷。同时,团聚程度较轻,可以使用较便宜的原料得到结晶性较好,晶粒均匀且形貌为单一六方相的WS2纳米管。更重要的是,由于本发明基于微波溶剂热法,设备及仪器的要求更为简单并且可以更有效地制备出结晶性较好、取向生长形貌单一,粒径较小且分 布均匀、纯度较高的纳米管。本发明采用异丙醇作为溶剂,P123和SDBS复合模板剂辅助条件下,绿色,清洁,无害地制备了具有取向生长的纳米片状WS2;在以上溶剂热条件下,片状WS2高度卷曲形成最终的WS2纳米管状结构。所以本发明所采用的制备方法更为高效、经济、可行。此外,微波加热效率较高,在溶剂热环境下有利于快速扩散传质,可以在短时间内成核-取向生长,最终实现WS2纳米管的可控合成。总之,利用复合模板剂辅助微波溶剂热法比水热法和溶剂热法高效,形貌可控,可行性强且可以更有利于纳米晶的取向生长,且所制备的纳米管具有较好的电化学性能,即循环性能好,寿命长。
附图说明
图1为本发明实施例2中所制备WS2纳米管的SEM图;
图2为本发明实施例2中所制备WS2纳米管的XRD图;
图3为本发明实施例2中所制备WS2纳米管作为负极材料的循环性能图(电流密度:100mA g-1;电压:0~3V);Discharge:放电,Charge:充电,Capacity:充放电容量,Cyclenumber:循环次数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
步骤一:将分析纯WCl6加入异丙醇中,并不断搅拌至WCl6溶解,制得W6+浓度为1.0mol/L的溶液A;
步骤二:将溶液A在40℃加热搅拌,并加入硫代乙酰胺,控制硫代乙酰胺的浓度为2.0mol/L,同时加入分析纯的聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)和分析纯的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的混合物,P123与SDBS的质量比为mP123∶mSDBS=1∶1,控制混合物的加入量为6.0g/L,并继续搅拌3h后形成均匀的溶胶前驱溶液;
步骤三:将溶胶前驱溶液倒入UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪的四颈圆底烧瓶中,填充度控制在50%,再将四颈圆底烧瓶放入上述三位一体合成反应仪中,并固定好;同时打开微波和紫外合成模式(采用微波-紫外合成模式,使微波和紫外同时作用于反应前驱物,其中微波功率控制在600W,紫外功率控制在300W),利用微波经15min将溶胶前驱溶液从室温加热 到80℃,然后保温3h,保温结束后自然冷却到室温;
步骤四:打开UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪,取出产物,依次采用去离子水和无水乙醇重复洗涤6次后置于60℃的DZ-3BC Ⅱ型真空干燥箱内干燥6h即获得WS2纳米管。
所得WS2纳米管为单一六方相,长度为400nm,直径为30~50nm,管壁厚度约为10nm,在电压为0~3V,电流密度为100mA g-1条件下,WS2纳米管作为钠离子电池负极材料经过500次充放电循环后,仍保持有150mAh g-1的容量。
实施例2:
步骤一:将分析纯WCl6加入异丙醇中,并不断搅拌至WCl6溶解,制得W6+浓度为0.08mol/L的溶液A;
步骤二:将溶液A在45℃加热搅拌,并加入硫代乙酰胺,控制硫代乙酰胺的浓度为0.16mol/L,同时加入分析纯的聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)和分析纯的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的混合物,P123与SDBS的质量比为mP123∶mSDBS=4∶3,控制混合物的加入量为5.0g/L,并继续搅拌2h后形成均匀的溶胶前驱溶液;
步骤三:将溶胶前驱溶液倒入UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪的四颈圆底烧瓶中,填充度控制在55%,再将四颈圆底烧瓶放入上述三位一体合成反应仪中,并固定好;同时打开微波和紫外合成模式(采用微波-紫外合成模式,使微波和紫外同时作用于反应前驱物,其中微波功率控制在500W,紫外功率控制在300W),利用微波经10min将溶胶前驱溶液从室温加热到60℃,然后保温4h,保温结束后自然冷却到室温;
步骤四:打开UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪,取出产物,依次采用去离子水和无水乙醇重复洗涤5次后置于55℃的DZ-3BC Ⅱ型真空干燥箱内干燥5h即获得WS2纳米管。
由图1可看出实施例2所制备的WS2纳米管纯度高,尺寸分布均匀,长度约为200nm,直径约为40~100nm,管壁厚度约为15nm,无明显团聚,呈现细小的管状形貌。
由图2可以看出实施例2所制备的WS2纳米管结晶性较好,纯度高,具有一定的取向性,是单一的六方相WS2
由图3可以得出实施例2所制备的WS2纳米管,作为钠离子电池负极材料在电压为0~3V,电流密度为100mA g-1条件下的充放电循环性能,经过500次循环后,仍保持有145mAhg-1的容量,循环性能及容量保持率较好。
实施例3:
步骤一:将分析纯WCl6加入异丙醇中,并不断搅拌至WCl6溶解,制得W6+浓度为0.04mol/L的溶液A;
步骤二:将溶液A在35℃加热搅拌,并加入硫代乙酰胺,控制硫代乙酰胺的浓度为0.08mol/L,同时加入分析纯的聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)和分析纯的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的混合物,P123与SDBS的质量比为mP123∶mSDBS=3∶1,控制混合物的加入量为4.0g/L,并继续搅拌1h后形成均匀的溶胶前驱溶液;
步骤三:将溶胶前驱溶液倒入UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪的四颈圆底烧瓶中,填充度控制在60%,再将四颈圆底烧瓶放入上述三位一体合成反应仪中,并固定好;同时打开微波和紫外合成模式(采用微波-紫外合成模式,使微波和紫外同时作用于反应前驱物,其中微波功率控制在300W,紫外功率控制在300W),利用微波经5min将溶胶前驱溶液从室温加热到50℃,然后保温5h,保温结束后自然冷却到室温;
步骤四:打开UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪,取出产物,依次采用去离子水和无水乙醇重复洗涤4次后置于40℃的DZ-3BC Ⅱ型真空干燥箱内干燥4h即获得WS2纳米管。
所得WS2纳米管为单一六方相,长度为280nm,直径为20~40nm,管壁厚度约为5nm,在电压为0~3V,电流密度为100mA g-1条件下,WS2纳米管作为钠离子电池负极材料经过500次充放电循环后,仍保持有135mAh g-1的容量。
实施例4:
步骤一:将分析纯WCl6加入异丙醇中,并不断搅拌至WCl6溶解,制得W6+浓度为1.2mol/L的溶液A;
步骤二:将溶液A在50℃加热搅拌,并加入硫代乙酰胺,控制硫代乙酰胺浓度为2.4mol/L,同时加入分析纯的聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)和分析纯的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的混合物,P123与SDBS 的质量比为mP123∶mSDBS=3∶7,控制混合物的加入量为6.5g/L,并继续搅拌1h后形成均匀的溶胶前驱溶液;
步骤三:将溶胶前驱溶液倒入UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪的四颈圆底烧瓶中,填充度控制在40%,再将四颈圆底烧瓶放入上述三位一体合成反应仪中,并固定好;同时打开微波和紫外合成模式(采用微波-紫外合成模式,使微波和紫外同时作用于反应前驱物,其中微波功率控制在800W,紫外功率控制在300W),利用微波经20min将溶胶前驱溶液从室温加热到100℃,然后保温2h,保温结束后自然冷却到室温;
步骤四:打开UWave-1000型微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪,取出产物,依次采用去离子水和无水乙醇重复洗涤6次后置于80℃的DZ-3BC Ⅱ型真空干燥箱内干燥4h即获得WS2纳米管。
所得WS2纳米管为单一六方相,长度为450nm,直径为50~80nm,管壁厚度约为20nm,在电压为0~3V,电流密度为100mA g-1条件下,WS2纳米管作为钠离子电池负极材料经过500次充放电循环后,仍保持有155mAh g-1的容量。
本发明制备所得WS2纳米管为单一六方相,长度为200~500nm,直径为20~150nm,管壁厚度约为5~20nm,在电压为0~3V,电流密度为100mA g-1条件下,WS2纳米管作为钠离子电池负极材料经过500次充放电循环后,仍保持有130~180mAh g-1的容量。
总之,本发明提供一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法,该方法简单有效,产物组分可控、纯度高,而且可以通过添加复合模板剂以及控制溶剂的极性等调控产物的形貌,且比微波水热法以及溶剂热法高效快速且低温常压,成核速率较快,材料形貌可控,取向生长较明显。按该方法的低温常压复合模板剂辅助微波-紫外制备方法制成的WS2纳米管纯度高,分散性好,尺寸均匀,取向生长可控,循环性能好,寿命长。

Claims (4)

1.一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:将WCl6加入异丙醇中,并不断搅拌至WCl6溶解,得W6+浓度为0.04~2.0mol/L的溶液A;
步骤二:将溶液A在35~50℃搅拌,并在搅拌中加入硫代乙酰胺、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物和十二烷基苯磺酸钠,然后继续搅拌1~3h后形成溶胶前驱溶液;控制所述溶胶前驱溶液中硫代乙酰胺的浓度为0.08~4.0mol/L,控制所述溶胶前驱溶液中聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物和十二烷基苯磺酸钠总的浓度为4.0~8.0g/L,聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物与十二烷基苯磺酸钠的质量比为(3~9):(1~7);
步骤三:将溶胶前驱溶液倒入微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪的反应容器中,反应容器的填充度控制在30~60%,再将反应容器放入所述三位一体合成反应仪中;然后,同时打开微波和紫外合成模式,利用微波经3~20min将反应容器内的溶胶前驱溶液从室温加热到40~120℃,然后保温0.5~6h,保温结束后自然冷却到室温;
步骤四:经过步骤三后,打开微波·紫外·超声波三位一体合成反应仪,取出产物,依次采用去离子水和无水乙醇洗涤后于40~80℃干燥即获得一维WS2纳米管钠离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:所述三位一体合成反应仪的微波功率控制在200~1000W,并且紫外功率控制在300W。
3.根据权利要求1所述一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤一以及步骤二中,搅拌采用磁力搅拌器。
4.根据权利要求1所述一种一维WS2纳米管钠离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤四中,干燥采用真空干燥箱,干燥时间为4~8h。
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