CN110550660B - 一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将氟化锂加入到盐酸溶液中，得到刻蚀溶液；(2)向所述刻蚀溶液中加入Ti3AlC2，进行刻蚀反应，再经洗涤、离心、真空干燥，得到二维层状MXene材料Ti3C2；(3)将MXene材料Ti3C2分散在去离子水中，然后加入二水合钨酸钠、硫脲和草酸，搅拌均匀后，进行水热反应，经离心、洗涤、干燥，得到二硫化钨/MXene复合材料。本发明方法制备的二硫化钨/MXene复合材料形貌均一、分散性好；且制备方法工艺简单易控、成本低廉、适合大规模的工业生产。

Description

一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯作为典型的二维晶体，引起了学术与工业界的研发热潮，现已被广泛应用于复合材料增强体、电化学储能、高效散热器、触摸屏等方面。与石墨烯结构类似，MXene材料是一类只有单个或几个原子厚度的二维过渡金属碳化物或氮化物晶体。MXene也表现出高的金属导电特性、优异的机械稳定性、电子及磁学性质。
二硫化钨(WS2)也是一种具有类似石墨层状结构的二维晶体材料，二硫化钨因其层状结构常被用作锂离子电池负极材料，当其被用作储能材料时虽然比容量比较高，但因其电导率较MXene低，使其倍率性能有限。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、效率高的二硫化钨/MXene的制备方法，本发明通过自组装方法制备的二硫化钨/MXene复合材料能够兼备MXene的导电率高和WS2的比容量高的优点，作为锂离子电池电极材料，具有较好的前景。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氟化锂加入到盐酸溶液中，搅拌，得到刻蚀溶液；
(2)在搅拌条件下，向步骤(1)所得刻蚀溶液中加入Ti3AlC2，进行刻蚀反应，再经洗涤、离心、真空干燥，得到二维层状MXene材料Ti3C2；
(3)将所述MXene材料Ti3C2超声分散在去离子水中，得到MXene溶液，然后将二水合钨酸钠、硫脲和草酸加入所述MXene溶液中，搅拌混合均匀，得到前驱体溶液，将所述前驱体溶液进行水热反应，结束后，经离心、去离子水和乙醇洗涤后再干燥得到二硫化钨/MXene复合材料。
优选地，步骤(1)中所述盐酸溶液的浓度为3-5mol/L。
优选地，步骤(1)中所述氟化锂与所述盐酸溶液中HCl的摩尔比为1:2-3，且氟化锂与盐酸反应的时间为4-8min。
优选地，步骤(2)中所述Ti3AlC2的加入量与刻蚀溶液的质量体积比为35-40mg/mL；所述刻蚀反应的时间为24-36h。
优选地，步骤(3)中所述MXene溶液的浓度为3-5mg/mL。
优选地，步骤(3)中所述前驱体溶液中二水合钨酸钠的浓度为16-32mg/mL，草酸的浓度为15-20mg/mL，二水合钨酸钠与硫脲的摩尔比为1:4-5.5。
优选地，步骤(3)中所述水热反应的温度为240-260℃，反应时间为20-26h。
水热反应过程中草酸充当催化剂和辅助还原剂，在不存在草酸的情况下，硫脲在高温下易形成硫氰酸盐(NH4SCN)，而体系中存在的硫氰酸盐与钨酸盐反应并产生黄色络合物副产物，影响目标产物的纯度和产出率。
本发明的有益效果：
(1)本发明制备的MXene材料Ti3C2具有高亲水性表面，与WS2形成的复合材料，分散均匀，无明显的团聚现象；另外，MXene材料可以和负载的WS2纳米粒子形成互补协同作用，更大程度地提高复合材料的导电性和比电容，提起其在储能、储氢、催化、吸附、传感等领域的应用前景。
(2)本发明通过控制反应原料的比例，水热反应的温度和时间，制备得到二硫化钨/MXene复合材料中二硫化钨纳米片均匀的分散在MXene材料Ti3C2的表面，形貌均一、分散性好；且制备方法工艺简单易控、成本低廉、产物产出率高，对环境友好，适合大规模的工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中经过刻蚀后的MXene材料Ti3C2的扫描电镜(SEM)照片。
图2为本发明实施例1所制得的二硫化钨/MXene复合材料的XRD图谱。
图3为本发明实施例1所制得的二硫化钨/MXene复合材料的扫描电镜(SEM)照片。
图4为本发明实施例2所制得的二硫化钨/MXene复合材料的EDS图谱。
图5为本发明实施例3所制得的二硫化钨/MXene复合材料的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细的说明，但不限于此。
实施例1
将10mL浓盐酸加入到14mL去离子水中配成5mol/L的盐酸溶液，向所配盐酸溶液中缓慢倒入1.5g氟化锂，搅拌反应5min后向其中缓慢加入0.96g Ti3AlC2粉末，利用磁力搅拌器在40℃条件下搅拌24h，然后经过水洗、离心后在60℃条件下干燥12h，即可得到MXene材料Ti3C2粉末，所得MXene材料Ti3C2粉末的SEM照片如图1所示，可以看出经过刻蚀后MXene材料Ti3C2呈现出明显的风琴状多层结构。
称取所制备的MXene材料Ti3C2粉末90mg倒入30mL去离子水中，超声分散30min，然后再向MXene溶液中加入二水合钨酸钠0.66g，硫脲0.78g，草酸0.5g，搅拌20min，得到前驱体溶液，最后将前驱体溶液转移到容积为50mL的水热反应釜中；于240℃条件下进行水热反应24h，然后自然冷却，经离心后，用去离子水和乙醇各洗涤三次，最后将离心后的黑色样品放入真空干燥箱，在80℃温度下保温12h，即得到二硫化钨/MXene复合材料。
图2为本实施例制备的二硫化钨/MXene复合材料的XRD图谱，可以看出，产物中的衍射峰分别对应WS2和Ti3C2的特征峰。
图3为本实施例制备的二硫化钨/MXene复合材料的SEM照片，从照片中可以明显看到大量二硫化钨纳米片生长在/MXene材料Ti3C2表面，MXene材料Ti3C2的整体结构与图1中所显示的刻蚀后的结构相同，并且二硫化钨纳米片在MXene材料Ti3C2的表面分布的非常均匀。
实施例2
将10mL浓盐酸加入到20mL去离子水中配成4mol/L的盐酸溶液，向所配盐酸溶液中缓慢倒入1.4g氟化锂，搅拌8min后向其中缓慢加入1.05g Ti3AlC2粉末，利用磁力搅拌器在40℃条件下搅拌36h，然后经过水洗、离心后在60℃条件下真空干燥12h，即可得到MXene材料Ti3C2粉末。
称取所制备的MXene材料Ti3C2粉末150mg倒入30mL去离子水中，超声分散30min，然后再向MXene溶液中加入二水合钨酸钠0.99g，硫脲1.14g，草酸0.6g，搅拌20min，得到前驱体溶液，最后将前驱体溶液转移到容积为50mL的水热反应釜中；于260℃条件下进行水热反应20h，然后自然冷却，经离心后，用去离子水和乙醇各洗涤三次，最后将离心后的黑色样品放入真空干燥箱，在80℃温度下保温12h，即得到二硫化钨/MXene复合材料；其SEM照片与图3相似。
图4为本实施例所制备的二硫化钨/MXene复合材料的EDS图谱，可以看出，复合材料中存在S、W、Ti、C和O元素，其中的O元素是刻蚀后留下的含氧基团。
实施例3
将10mL浓盐酸加入到30mL去离子水中配成3mol/L的盐酸溶液，向所配盐酸溶液中缓慢倒入1.5g氟化锂，搅拌8min后向其中缓慢加入1.4g Ti3AlC2粉末，利用磁力搅拌器在40℃条件下搅拌24h，然后经过水洗、离心后在60℃条件下真空干燥12h，即可得到MXene材料Ti3C2粉末。
称取所制备的MXene材料Ti3C2粉末120mg倒入30mL去离子水中，超声分散30min，然后再向溶液中加入二水合钨酸钠0.5g，硫脲0.58g，草酸0.45g，搅拌20min，得到前驱体溶液，最后将前驱体溶液转移到容积为50mL的水热反应釜中；于250℃条件下进行水热反应26h，然后自然冷却，经离心后，用去离子水和乙醇各洗涤三次，最后将离心后的黑色样品放入真空干燥箱，在60℃温度下保温12h，即得到二硫化钨/MXene复合材料。
图5为本实施例所制备的二硫化钨/MXene复合材料的SEM照片，从图中可看出，二硫化钨纳米片在MXene材料Ti3C2的表面分布的非常均匀。
尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

Claims (4)

1.一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将氟化锂加入到盐酸溶液中，搅拌，得到刻蚀溶液；
(2)在搅拌条件下，向步骤(1)所得刻蚀溶液中加入Ti3AlC2，进行刻蚀反应，再经洗涤、离心、真空干燥，得到二维层状MXene材料Ti3C2；
(3)将所述MXene材料Ti3C2超声分散在去离子水中，得到MXene溶液，然后将二水合钨酸钠、硫脲和草酸加入所述MXene溶液中，搅拌混合均匀，得到前驱体溶液，将所述前驱体溶液进行水热反应，结束后，经离心、去离子水和乙醇洗涤后再干燥得到二硫化钨/MXene复合材料；
步骤(3)中所述MXene溶液的浓度为3-5mg/mL；
步骤(3)中所述前驱体溶液中二水合钨酸钠的浓度为16-32mg/mL，草酸的浓度为15-20mg/mL，二水合钨酸钠与硫脲的摩尔比为1:4-5.5；
步骤(3)中所述水热反应的温度为240-260℃，反应时间为20-26h。
2.根据权利要求1所述的一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述盐酸溶液的浓度为3-5mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氟化锂与所述盐酸溶液中HCl的摩尔比为1:2-3，且氟化锂与盐酸反应的时间为4-8min。
4.根据权利要求1所述的一种二硫化钨/MXene复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述Ti3AlC2的加入量与刻蚀溶液的质量体积比为35-40mg/mL；所述刻蚀反应的时间为24-36h。
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