CN110061204A - 二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2作为钠离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2作为钠离子电池负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′‑ReS2作为钠离子电池负极材料的制备方法，包括下列步骤：1)核壳结构的rGO@ReS2纳米片的制备：按照1:(0.8‑1.2):(1‑1.6):(2‑3)的质量配比分别称取石墨烯、十六烷基三甲基溴铵(CTAB)、高铼酸铵和硫脲，将氧化石墨烯和十六烷基三甲基溴铵(CTAB)加入到适量水中制成悬浊液，然后在悬浊液里加入高铼酸铵和硫脲，随后在210‑230℃下进行水热反应，待样品冷却后，洗净并烘干，再将烘干后的样品煅烧制得核壳结构的rGO@ReS2纳米片。2)核壳结构rGO@ReS2@N‑C的制备。

Description

二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2作为钠离子电池负极材料 的制备方法
技术领域
本发明属于钠离子电池负极材料领域，具体涉及一种二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2作为高倍率、长循环性能钠离子电池负极材料的制备方法。
背景技术
随着能源危机及环境污染问题的加剧，开发太阳能、风能等清洁能源并对其进行有效的收集利用迫在眉睫。然而，这种能源具有间歇性产生的特点，这种现状也就促使了低成本、高能量密度、可长周期循环使用的充电储能器件的快速发展。尤其是钠离子电池，作为锂离子电池的一种最具前景的替代品，因其成本低、实用性强等优点而备受关注。但是Na+相较 Li+而言半径越大，电化学动力就越慢，体积变化越大，可逆性也就越差。因此导致石墨作为锂离子电池的商业负极材料，因其电化学动力学受到抑制，在钠离子电池中很少使用。
近年来，过渡金属双硫族化合物由于具有独特的化学性质，作为一种极具前景的钠离子电池负极材料而备受关注。MoS2作为一种典型的过渡金属双硫族化合物，因其具有常见稳定的2H相和较大层间间距的层状结构，有利于Na+的嵌入和脱出，从而受到了大量的研究。然而，常见稳态MoS2的电导率和Na+的扩散分别受到了半导体晶相和相邻层间范德华相互作用的限制，从而导致电化学性能较差。为了解决以上问题，研究者们将目光转向了1T-MoS2，因其具有金属晶体相和更小的层间范德华相互作用力而得到了广泛的制备和报道。然而用一种简单、低成本的方法制备具有极弱层间耦合的亚稳态1T-MoS2仍然是一个巨大的挑战。
幸运的是作为过渡金属双硫族化合物的新成员，ReS2表现出稳定的扭曲1T相(1T′) 和极弱的层间范德华相互作用力，这些优点也使得ReS2适用于锂离子电池和钠离子电池领域。尽管ReS2纳米片具有固有的结构优势，但是在深入充放电过程中仍会发生再堆积和不可逆的结构变化，这会严重影响其在钠离子电池中的应用。据我们所知，研究人员做了许多工作和研究来实现钠离子电池中理想的ReS2负极并提高其电化学性能，包括制备分层孔隙纳米结构，或者将ReS2锚定在碳材料表面形成复合材料。然而，这些工作由于缺乏对ReS2结构的合理设计和Na+储能行为的深入研究，目前这些报道的电化学性能尤其是在高的电流密度下的长周期循环性能都不尽如人意，怎样实现这种材料的理想性能仍是一个挑战。
发明内容
本发明为实现钠离子电池ReS2负极材料的高电化学性能，提供一种复合材料的制备方法，其中1T′-ReS2通过强化学耦合作用被包覆在由还原氧化石墨烯和氮掺杂碳层组成的二维蜂窝状碳纳米片中(rGO@ReS2@N-C)，这种材料表现出优异的倍率性能和超长周期循环性能。
本发明的技术方案如下：
一种二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2作为钠离子电池负极材料的制备方法，包括下列步骤：
1)核壳结构的rGO@ReS2纳米片的制备：按照1:(0.8-1.2):(1-1.6):(2-3)的质量配比分别称取石墨烯、十六烷基三甲基溴铵(CTAB)、高铼酸铵和硫脲，将氧化石墨烯和十六烷基三甲基溴铵(CTAB)加入到适量水中制成悬浊液，然后在悬浊液里加入高铼酸铵和硫脲，随后在210-230℃下进行水热反应，待样品冷却后，洗净并烘干，再将烘干后的样品在450-550℃条件下煅烧以制得核壳结构的rGO@ReS2纳米片。
2)核壳结构rGO@ReS2@N-C的制备：将Tris缓冲液分散到酒精水溶液中，按照1:(1.2-1.4)的质量配比称取适量的rGO@ReS2纳米片和多巴胺盐酸盐，先在溶液里加入 rGO@ReS2纳米片，再加入多巴胺盐酸盐并搅拌均匀，得到的最终产物洗净并烘干，再在 450-550℃下煅烧。
综上所述，本发明的核心是制备核壳结构的1T′-ReS2负载于氧化石墨烯上，再通过煅烧碳化的方法制备二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2复合材料。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明制备的二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2复合材料充分地结合了碳材料和过渡金属双硫族化合物的优势，具有独特物理性质的1T′-ReS2表现出对Na+有较好的吸附性和高的扩散动力学；碳纳米片和ReS2之间强的化学耦合作用可以有效地增加Na+传输效率并降低电阻值。
(2)本发明制备的二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2复合材料可以在长周期循环测试中保持结构形态和电化学形态，从而表现出优异的倍率性能和循环性能。
(3)本发明制备设备简单，工艺简便。
(4)本发明可靠性高，可重复性强，有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所制备的rGO@ReS2的低倍SEM图像；
图2为实施例1所制备的rGO@ReS2的高倍SEM图像；
图3为实施例1所制备的rGO@ReS2的低倍TEM图像；
图4为实施例1所制备的rGO@ReS2的高倍TEM图像；
图5为实施例1所制备的rGO@ReS2@N-C的SEM图像；
图6为实施例1所制备的rGO@ReS2和rGO@ReS2@N-C的XRD图谱；
图7为实施例1所制备的rGO@ReS2和rGO@ReS2@N-C电极材料在0.2A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g、5A/g、10A/g电流密度下的倍率曲线；
图8为实施例1所制备的rGO@ReS2和rGO@ReS2@N-C电极材料在2A/g电流密度下的循环曲线。
具体实施方式
以下给出本发明制备方法的具体实施例。这些实施例仅用于详细说明本发明制备方法，并不限制本申请权利要求的保护范围。
实施例1
将60mg商业氧化石墨烯和60mg十六烷基三甲基溴铵(CTAB)加入到30ml水中搅拌15min之后超声2h，然后加入90mg高铼酸铵和180mg硫脲并搅拌2h，随后将上述溶液转移到50ml高压反应釜中在220℃水热24h。待样品冷却至室温后后，将样品用去离子水和酒精洗涤数次并在60℃下烘干12h。样品烘干后再在500℃氩气气氛条件下煅烧3h以提高样品的结晶性，得到rGO@ReS2。将0.019gTris缓冲液分散到100ml水和酒精溶液中(4:1)，然后加入50mg rGO@ReS2并超声10min，最后加入66.6mg多巴胺盐酸盐并搅拌3h，得到的最终产物用去离子水和酒精洗涤数次并在60℃下烘干，最后将烘干后的样品在500℃氩气气氛下煅烧3h得到rGO@ReS2@N-C。
实施例2
将60mg商业氧化石墨烯和60mg十六烷基三甲基溴铵(CTAB)加入到30ml水中搅拌15min之后超声2h，然后加入75mg高铼酸铵和150mg硫脲并搅拌2h，随后将上述溶液转移到50ml高压反应釜中在220℃水热24h。待样品冷却至室温后后，将样品用去离子水和酒精洗涤数次并在60℃下烘干12h。样品烘干后再在500℃氩气气氛条件下煅烧3h以提高样品的结晶性，得到rGO@ReS2。将0.019gTris缓冲液分散到100ml水和酒精溶液中(4:1)，然后加入50mg rGO@ReS2并超声10min，最后加入66.6mg多巴胺盐酸盐并搅拌3h，得到的最终产物用去离子水和酒精洗涤数次并在60℃下烘干，最后将烘干后的样品在500℃氩气气氛下煅烧3h得到rGO@ReS2@N-C。
实施例3
将60mg商业氧化石墨烯和60mg十六烷基三甲基溴铵(CTAB)加入到30ml水中搅拌15min之后超声2h，然后加入60mg高铼酸铵和120mg硫脲并搅拌2h，随后将上述溶液转移到50ml高压反应釜中在220℃水热24h。待样品冷却至室温后后，将样品用去离子水和酒精洗涤数次并在60℃下烘干12h。样品烘干后再在500℃氩气气氛条件下煅烧3h以提高样品的结晶性，得到rGO@ReS2。将0.019gTris缓冲液分散到100ml水和酒精溶液中(4:1)，然后加入50mg rGO@ReS2并超声10min，最后加入66.6mg多巴胺盐酸盐并搅拌3h，得到的最终产物用去离子水和酒精洗涤数次并在60℃下烘干，最后将烘干后的样品在500℃氩气气氛下煅烧3h得到rGO@ReS2@N-C。

Claims (4)

1.一种二维蜂窝状碳纳米片包覆1T′-ReS2作为钠离子电池负极材料的制备方法，包括下列步骤：
1)核壳结构的rGO@ReS2纳米片的制备：按照1:(0.8-1.2):(1-1.6):(2-3)的质量配比分别称取石墨烯、十六烷基三甲基溴铵(CTAB)、高铼酸铵和硫脲，将氧化石墨烯和十六烷基三甲基溴铵(CTAB)加入到适量水中制成悬浊液，然后在悬浊液里加入高铼酸铵和硫脲，随后在210-230℃下进行水热反应，待样品冷却后，洗净并烘干，再将烘干后的样品在450-550℃条件下煅烧以制得核壳结构的rGO@ReS2纳米片。
2)核壳结构rGO@ReS2@N-C的制备：将Tris缓冲液分散到酒精水溶液中，按照1:(1.2-1.4)的质量配比称取适量的rGO@ReS2纳米片和多巴胺盐酸盐，先在溶液里加入rGO@ReS2纳米片，再加入多巴胺盐酸盐并搅拌均匀，得到的最终产物洗净并烘干，再在450-550℃下煅烧。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的煅烧的气氛为氩气。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，洗涤所采用的洗涤剂为去离子水和乙醇。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，两次煅烧的时间均不低于3h。
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