CN109473634A - 固相共热合成二硒化钼/氮掺杂碳棒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二硒化钼/氮掺杂碳棒固相共热的合成方法。该复合材料由二硒化钼及氮掺杂碳棒组成，二者之间通过共价键作用复合，其中二硒化钼二维纳米小片层沿着一维碳棒的表面生长，形成该种分级片棒状结构。该二硒化钼/氮掺杂碳棒复合材料作为锂离子电池负极材料，在电流密度为100 mAg‑1时，其首次充放电可逆容量为928 mAhg‑1，100次循环后，其容量可以维持在906 mAh g‑1，容量保持率高达97.6%。该材料同时具有较好的倍率性能，当电流密度为1000 mAg‑1时，其可逆容量可以达到560 mAhg‑1。当电流密度从1000 mAg‑1恢复到100 mAg‑1，其可逆容量能恢复到920 mAhg‑1并依旧保持出色的循环稳定性。

Description

固相共热合成二硒化钼/氮掺杂碳棒的方法
技术领域
本发明涉及一种二硒化钼/氮掺杂碳棒的固相共热合成方法，属于纳米材料制备领域。
背景技术
目前应用最广泛的能量储存器件有超级电容器和锂离子电池。锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。由于锂电池具有电压高、自放电小、无记忆效应、容量高等特点，目前已广泛运用于手机、笔记本电脑等小型移动设备中。但是受限于较低的功率密度，锂电池还远远不能满足大型动力电池持续大电流放点的要求，因此如何提高锂离子电池的性能是目前的研究热点，具有深远而重大的意义。
锂离子电池的技术关键在于开发出具有出色储锂性能的电极材料。过渡金属硫属化合物是一类极富前景的锂离子电池负极材料。这类以二硫化钼、二硒化钼为代表的过渡金属硫属化合物具有高容量、低毒、自然丰度高、环境友好等特点。对于二硒化钼而言，目前已有研究者报道运用化学气相沉积（CVD）[Wang X, Gong Y, Shi G. Chemical vapordeposition growth of crystalline monolayer MoSe2. ACS nano, 2014, 8(5): 5125-5131.]、氢气气氛煅烧法[Ko Y N, Choi S H, Park S B, et al. Hierarchical MoSe2yolk–shell microspheres with superior Na-ion storage properties. Nanoscale,2014, 6(18): 10511-10515.]以及水合肼辅助溶剂热法[Yang X, Zhang Z, Fu Y, etal. Porous hollow carbon spheres decorated with molybdenum diselenidenanosheets as anodes for highly reversible lithium and sodium storage.Nanoscale, 2015, 7(22): 10198-10203.]来制备。但是这些合成方法都存在不同的缺点，CVD对真空条件的高要求、还原性氢气的不安全性以及水合肼的高毒性都不利于大规模低成本的制备二硒化钼。因此，我们迫切需要一种能够大规模、低成本、简单的合成方法来制备二硒化钼。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固相共热合成二硒化钼/氮掺杂碳棒的方法，制备得到的复合材料具有优秀的储锂性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：本发明所述的固相共热合成二硒化钼/氮掺杂碳棒的方法，包括如下步骤：
第一步：将钼酸盐和有机胺按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第一步所得的混合溶液在室温下缓慢滴加稀盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液于50±5℃水浴中陈化3~5 h，抽滤、洗涤得到白色沉淀；
第四步：将所有第三步得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵，并逐滴加入稀盐酸溶液直至pH为1~2，并置于冰水浴中搅拌反应20 h以上得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至目标温度后保温3~4小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
进一步地，第一步中，有机胺选自苯胺、吗啡啉、哌嗪中任意一种。
进一步地，第二步中，稀盐酸浓度为1M。
进一步地，第四步中，过硫酸铵与白色沉淀的质量比为2：1。
进一步地，第五步中，聚合产物与硒粉的质量比为4：3。
进一步地，第五步中，目标温度为300-600℃。
与现有技术相比，其优点在于：（1）该方法在不使用还原性气氛条件下能够实现二硒化钼的固相共热合成。（2）该方法制备得到的复合材料形貌为二硒化钼/氮掺杂碳棒的核分支结构，其特点在于复合材料的核与分支在热处理过程中一步完成。（3）制备出的二硒化钼/氮掺杂碳棒复合材料作为锂离子电池负极材料，在电流密度为100 mAg-1时，其首次充放电可逆容量为928 mAhg-1，100次循环后，其容量可以维持在906 mAh g-1，容量保持率高达97.6%。（4）该材料同时具有较好的倍率性能，当电流密度为1000 mAg-1时，其可逆容量可以达到560 mAhg-1。（5）当电流密度从1000 mAg-1恢复到100 mAg-1，其可逆容量能恢复到920mAhg-1并依旧保持出色的循环稳定性。
附图说明
图1是本发明储锂机理图。
图2是本发明的合成机理图。
图3是本发明实例1所制备的二硒化钼/氮掺杂碳棒的透射电镜和扫描电镜图（其中，a ,b 为较低放大倍数下二硒化钼/氮掺杂碳棒的透射电镜，c为二硒化钼/氮掺杂碳棒的高分辨透射电镜图，d为二硒化钼/氮掺杂碳棒的扫描电镜图）。
图4是本发明实例1所制备二硒化钼/氮掺杂碳棒及相关前躯体的 (a) XRD衍射谱图、(b) IR谱图 (c)氮气吸附脱附等温曲线，其中，MS-NDC表示二硒化钼/氮掺杂碳棒，MO-PANI代表三氧化钼和聚苯胺前躯体, MO-PANI After heat treatment代表三氧化钼和聚苯胺前躯体单独热处理的样品，MO-PANI+Se代表三氧化钼和聚苯胺前躯体与硒粉物理混合的样品。
图5是本发明实例1二硒化钼/氮掺杂碳棒的充放电曲线（a）、循环性能（b）与倍率性能（c）。
图6是本发明实例1中三氧化钼和聚苯胺聚合产物的充放电曲线（a）、循环性能（b）与倍率性能（c）。
图7是本发明实例1中三氧化钼和聚苯胺聚合产物单独热处理后样品的充放电曲线（a）、循环性能（b）与倍率性能（c）。
图8是本发明不同温度下的锂电池循环性能图。
具体实施方式
本发明制备出的二硒化钼/氮掺杂碳棒作为锂离子电池负极材料具有优异的电化学性能，这主要归因于二硒化钼/氮掺杂碳棒的独特的纳米结构：首先，如图1所示，弱导电性的二硒化钼沿着高导电性的碳纳米棒生长，这样可以显著改善两者之间的过渡金属硫属化合物的导电性；其次，二硒化钼/氮掺杂碳棒在热处理过程中形成牢固的共价键，既提高了该种复合材料的结构稳定性，又加快了复合材料中的电子传输；再者，如图2所示二硒化钼/氮掺杂碳棒的片棒状结构，有利于电解液的渗透，暴露较多的储锂位点，从而提高储锂性能；最后，这种强韧的片棒状结构能够承受充放电过程中频繁的应力变化与体积膨胀，提供十分稳定的循环性能。
本发明的二硒化钼/氮掺杂碳棒复合材料通过以下步骤制备：
第一步：将钼酸盐和有机胺按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第一步所得的混合溶液在室温下缓慢滴加一定量的1M盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液于50℃水浴中陈化4h，抽滤、洗涤得到白色沉淀；
第四步：将所有第三步得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵，并逐滴加入1M盐酸溶液直至PH为1-2，并置于冰水浴中搅拌反应20h得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉按照质量比4：3均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至目标温度后保温3个小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
实施实例1：
第一步：将钼酸盐和苯胺按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第二步所得的混合溶液至于25℃水浴中，缓慢滴加一定量的盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液至于50℃水浴中陈化4小时，抽滤洗涤得到白色沉淀；
第四步：得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵和盐酸溶液，并置于0℃水浴搅拌反应20小时得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至500℃后保温3个小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
经透射电镜TEM、扫描电镜SEM、X射线衍射XRD、红外光谱IR、氮气吸附脱附等温线BET分析，得到的产物为二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物，制备的产物具有片棒状结果。如图3，4所示。
将制备的二硒化钼/氮掺杂碳复合材料作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试，结果如图5-7，该二硒化钼/氮掺杂碳棒复合材料作为锂离子电池负极材料，在电流密度为100 mAg-1时，其首次充放电可逆容量为928 mAhg-1，100次循环后，其容量可以维持在906 mAh g-1，容量保持率高达97.6%。该材料同时具有较好的倍率性能，当电流密度为1000mAg-1时，其可逆容量可以达到560 mAhg-1。当电流密度从1000 mAg-1恢复到100 mAg-1，其可逆容量能恢复到920 mAhg-1并依旧保持出色的循环稳定性。
实施实例2：
第一步：将钼酸盐和苯胺按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第二步所得的混合溶液至于25℃水浴中，缓慢滴加一定量的盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液至于50℃水浴中陈化4小时，抽滤洗涤得到白色沉淀；
第四步：得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵和盐酸溶液，并置于0℃水浴搅拌反应20小时得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至600℃后保温3个小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
经过表征发现制备得到的产物中存在二硒化钼，通过对样品的电化学性能进行表征发现，600℃制得的样品容量不如500℃的稳定，如图8所示，先上升后下降，100圈循环之后容量为700 mAh g-1.
实施实例3：
第一步：将钼酸盐和苯胺按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第二步所得的混合溶液至于25℃水浴中，缓慢滴加一定量的盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液至于50℃水浴中陈化4小时，抽滤洗涤得到白色沉淀；
第四步：得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵和盐酸溶液，并置于0℃水浴搅拌反应20小时得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至400℃后保温3个小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
经过表征发现制备得到的产物中存在二硒化钼，通过对样品的电化学性能进行表征发现，400℃的制备得到样品储锂容量较为稳定，如图8所示，100圈循环之后容量保持为700 mAh g-1左右。
对比实例1：
第一步：将钼酸盐和苯胺按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第二步所得的混合溶液至于25℃水浴中，缓慢滴加一定量的盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液至于50℃水浴中陈化4小时，抽滤洗涤得到白色沉淀；
第四步：得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵和盐酸溶液，并置于0℃水浴搅拌反应20小时得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至400℃后保温3个小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
经过表征发现制备得到的产物中不存在二硒化钼，通过对样品的电化学性能进行表征发现，300℃的制备得到样品储锂容量较差，如图8所示，100圈循环之后容量保持为200mAh g-1左右。
对比实例2：
第一步：将钼酸盐和吗啡啉按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第二步所得的混合溶液至于25℃水浴中，缓慢滴加一定量的盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液至于50℃水浴中陈化4小时，抽滤洗涤得到白色沉淀；
第四步：得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵和盐酸溶液，并置于0℃水浴搅拌反应20小时得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至500℃后保温3个小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
经过表征发现制备得到的产物中不存在二硒化钼。
对比实例3：
第一步：将钼酸盐和哌嗪按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第二步所得的混合溶液至于25℃水浴中，缓慢滴加一定量的盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液至于50℃水浴中陈化4小时，抽滤洗涤得到白色沉淀；
第四步：得到的白色沉淀在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵和盐酸溶液，并置于0℃水浴搅拌反应20小时得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2度每分钟的升温速率升至500℃后保温3个小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
经过表征发现制备得到的产物中不存在二硒化钼。

Claims (6)

1.固相共热合成二硒化钼/氮掺杂碳棒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：将钼酸盐和有机胺按3：4的质量比例在去离子水中搅拌分散；
第二步：第一步所得的混合溶液在室温下缓慢滴加稀盐酸，直至出现白色的浑浊；
第三步：将上述白色浑浊液于50±5℃水浴中陈化3~5 h，抽滤、洗涤；
第四步：将第三步所得产物在一定量去离子水中超声分散，加入适量过硫酸铵，并逐滴加入稀盐酸溶液直至pH为1~2，并置于冰水浴中搅拌反应20 h以上得到聚合产物；
第五步：将上述聚合产物抽滤、洗涤、干燥后，与适量的硒粉均匀混合，在氩气气氛中，以2℃每分钟的升温速率升至目标温度后保温3~4小时，制得分级片棒状结构的二硒化钼/氮掺杂碳纳米复合物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，有机胺选自苯胺、吗啡啉、哌嗪中任意一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，稀盐酸浓度为1M。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步中，过硫酸铵与第三步所得产物的质量比为2：1。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步中，聚合产物与硒粉的质量比为4：3。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步中，目标温度为300-600℃。
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