CN113178556B - 一种Mo2C@MoS2异质结及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Mo2C@MoS2异质结及其制备方法和应用；该制备方法包括以下步骤：将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合，依次加入氯化铵、DMSO溶解，并去除溶解氧，然后进行水热反应；得到的反应混合物冷却后，洗涤至中性，再经干燥，得到Mo2C@MoS2异质结。本发明提供了一种原位刻蚀Mo2Ga2C制备Mo2C@MoS2异质结的方法，通过简单的一步水热反应刻蚀Mo2Ga2C的同时，在其表面生成均一的无定型MoS2；本发明提供的制备方法工艺简单，易于大批量生产，得到的产物界面结构均一，表面吸附基团少，活性位点丰富，可应用于二次离子电池、超级电容器、电催化等领域，且具有潜在商业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，更具体地说，是涉及一种Mo2C@MoS2异质结及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，日益恶化的自然环境和可持续发展的理念促使着连续可再生新型能源的发展，二次电池、超级电容器、燃料电池等在储能系统里应运而生。作为能源储存技术的星星之火的锂离子电池凭借储量丰富、低成本、高能量密度在人们的生活中发挥着重要作用。然而在安全性和循环寿命等问题上还需寻求更加成熟的电极材料。
二维过渡金属碳化物或氮化物MXene家族由于金属导电性(或窄带隙半导体特性)、结构开放、层间力弱、比表面积高等优点，在二次离子电池、催化、光学器件等领取得到广泛关注。不同于石墨烯具有天然的石墨前驱体， MXenes在自然界中没有3D前驱体，通常是将MAX相选择性刻蚀A层或者与路易斯酸熔盐置换得到的，通式为Mn+1XnTx(n＝1，2，3)，M为过渡金属，X 为碳、N，Tx代表表面官能团。通常采用有害试剂HF进行刻蚀，存在严重的安全问题，寻找一种无氟安全的刻蚀方法是科研研究人员努力的方向。同时，这类材料在储能应用中首次循环效率较低、可逆比容量低以及纳米层容易堆叠的缺点影响了MXenes材料的进一步运用。为了扬长避短，将MXenes与其他材料(如金属氧化物，金属单质，硫化物，以及碳材料)复合成为了研究热点。
二维纳米异质结构能整合多组分层状材料的结构优势，改变界面电子迁移速率，加快表面反应动力学过程。通过精密调控将MXenes片层和二维纳米薄片材料之间形成坚固的界面，界面的存在降低了反应的活性势垒，避免了堆叠，提升材料的电化学性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是基于目前MXenes合成存在一些问题，整合其他二维纳米材料，提出一种原位刻蚀Mo2Ga2C得到界面结构优异、应用前景广泛的Mo2C@MoS2异质结及其制备方法和应用。
本发明提供了一种Mo2C@MoS2异质结的制备方法，包括以下步骤：
将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合，依次加入氯化铵、DMSO溶解，并去除溶解氧，然后进行水热反应；得到的反应混合物冷却后，洗涤至中性，再经干燥，得到Mo2C@MoS2异质结。
优选的，所述Mo2Ga2C MAX前驱体的制备方法具体为：
a)将碳化钼纳米粉与金属镓混合加热研磨，得到混合物；所述碳化钼纳米粉与金属镓的摩尔比小于1：2；
b)将所述混合物在密闭低真空条件下，高温烧结，得到Mo2Ga2C MAX 前驱体。
优选的，所述将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合后，Mo2Ga2C MAX前驱体粉末的浓度为5mg/mL～15mg/mL。
优选的，所述加入氯化铵后，氯化铵的浓度大于6mol/L。
优选的，加入DMSO后，DMSO的浓度大于0.01mol/L。
优选的，所述水热反应的温度为160℃～200℃，时间为3天～6天。
优选的，所述洗涤的方式为同时使用去离子水和无水乙醇清洗5～8次。
优选的，所述干燥的方式为冷冻干燥；所述冷冻干燥的温度为-90℃～-60℃，时间为20h～30h。
本发明还提供了一种Mo2C@MoS2异质结，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。
本发明还提供了一种Mo2C@MoS2异质结在二次离子电池、超级电容器及电催化领域中的应用，所述Mo2C@MoS2异质结为上述技术方案所述的 Mo2C@MoS2异质结。
本发明提供了一种Mo2C@MoS2异质结及其制备方法和应用；该制备方法包括以下步骤：将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合，依次加入氯化铵、DMSO 溶解，并去除溶解氧，然后进行水热反应；得到的反应混合物冷却后，洗涤至中性，再经干燥，得到Mo2C@MoS2异质结。本发明提供了一种原位刻蚀 Mo2Ga2C制备Mo2C@MoS2异质结的方法，通过简单的一步水热反应刻蚀Mo2Ga2C的同时，在其表面生成均一的无定型MoS2；本发明提供的制备方法工艺简单，易于大批量生产，得到的产物界面结构均一，表面吸附基团少，活性位点丰富，可应用于二次离子电池、超级电容器、电催化等领域，且具有潜在商业应用价值。
附图说明
图1为Mo2Ga2C和Mo2C@MoS2异质结的X射线衍射谱；
图2(a)为Mo2Ga2C的扫描电子显微镜图，(b)为制备的Mo2C@MoS2异质结的扫描电子显微镜图；
图3为制备的Mo2C@MoS2异质结的SEM EDS图；
图4为制备的Mo2C@MoS2异质结的透射电子显微镜图；
图5为制备的Mo2C@MoS2异质结表面的TEM EDS图；
图6(a)为Mo2C@MoS2异质结在0.1A g-1至8A g-1的电流密度下的倍率性能图，(b)为Mo2C@MoS2异质结在1A g-1的电流密度下的循环性能图；
图7为Mo2Ga2C加入0.5mL DMSO经过180℃-6天的X射线衍射谱；
图8为Mo2Ga2C加入0.5mL DMSO经过180℃-6天的SEM图；
图9为Mo2Ga2C经过140℃-5天的X射线衍射谱；
图10为Mo2Ga2C经过140℃-5天的SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种Mo2C@MoS2异质结的制备方法，包括以下步骤：
将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合，依次加入氯化铵、DMSO溶解，并去除溶解氧，然后进行水热反应；得到的反应混合物冷却后，洗涤至中性，再经干燥，得到Mo2C@MoS2异质结。
本发明提供的制备方法的工艺流程包括：按比例称取Mo2Ga2C MAX前驱体、氯化铵、二甲基亚砜(DMSO)等原料，并放入聚四氟乙烯的内衬中，装入不锈钢反应釜，放入烘箱中进行水热反应，得到Mo2C@MoS2异质结。
在本发明中，所述Mo2Ga2C MAX前驱体的制备方法优选具体为：
a)将碳化钼纳米粉与金属镓混合加热研磨，得到混合物；所述碳化钼纳米粉与金属镓的摩尔比小于1：2；
b)将所述混合物在密闭低真空条件下，高温烧结，得到Mo2Ga2C MAX 前驱体。
其中，所述碳化钼纳米粉目数优选大于等于325目；所述碳化钼纳米粉与金属镓的摩尔比优选大于等于1：8；
所述加热研磨的温度优选为30℃～80℃；加热研磨的时间优选为 30～60min；
所述低真空的真空度优选小于等于1torr；所述高温烧结的温度优选为 800℃～900℃；所述高温烧结的时间优选为2～4天；
所述高温烧结后，将烧结产物二次加热研磨，然后在密闭低真空条件下，二次高温烧结，得到二次烧结产物；将所述二次烧结产物用酸清洗除去多余的金属镓，然后水洗至中性，冷冻干燥后，得到Mo2Ga2C MAX前驱体。
具体可参见公开号为CN111732103A的中国专利公开的技术方案获得 Mo2Ga2C MAX前驱体。
在本发明中，所述将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合的装置优选采用本领域技术人员熟知的聚四氟乙烯内衬，便于后续水热反应的进行；所述将 Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合后，Mo2Ga2C MAX前驱体粉末的浓度优选为 5mg/mL～15mg/mL，更优选为10mg/mL。
之后，按比例逐次加入氯化铵、DMSO；所述加入氯化铵后，氯化铵的浓度优选大于6mol/L，更优选为7.5mol/L；加入DMSO后，DMSO的浓度优选大于0.01mol/L，更优选为0.35mol/L～1.4mol/L。
在本发明中，所述去除溶解氧的方式优选为采用氩气枪通氩气。
在本发明中，所述水热反应的反应装置采用本领域技术人员熟知的带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜，通过将装有反应原料的聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中在放入烘箱中进行反应。在本发明中，所述水热反应的温度优选为160℃～200℃，更优选为180℃～200℃；所述水热反应的时间优选为 3天～6天，更优选为5天～6天。
反应结束后，所述冷却的方式采用本领域技术人员熟知的自然降温至室温的技术方案即可。
在本发明中，所述洗涤的方式优选为同时使用去离子水和无水乙醇清洗 5～8次。
在本发明中，所述干燥的方式优选为冷冻干燥；所述冷冻干燥的温度优选为-90℃～-60℃，更优选为-82℃；所述冷冻干燥的时间优选为20h～30h，更优选为24h。
本发明提供了一种原位刻蚀Mo2Ga2C制备Mo2C@MoS2异质结的方法，通过简单的一步水热反应刻蚀Mo2Ga2C的同时，在其表面生成均一的无定型 MoS2；本发明利用无毒试剂氯化铵和有机试剂DMSO，一步法原位刻蚀MAX 前驱体和制备Mo2C@MoS2异质结，制备工艺简单，安全可靠，避免了传统有害试剂HF的使用，无需引入对电化学性能有不利影响的含F官能团；另外，不需要使用精密复杂的原子沉积等方式，即可制备表面均匀、结合坚固的异质结材料，其整合多种材料的优势，在能量存储、催化等多个领域的应用前景。
本发明还提供了一种Mo2C@MoS2异质结，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。在本发明中，所述Mo2C@MoS2异质结具体为纳米片结构。现有技术(参见CN109267092A)公开了二硫化钼/碳化钼异质结产品，其先利用水热法制备二硫化钼，再通过高温气相法将其表面部分碳化，从而形成二硫化钼/碳化钼异质结；即采用两步法，以硫化钼为前驱体，高温碳化制备异质结。与上述现有技术相比，本发明提供的制备方法工艺简单，前驱体为Mo2Ga2C，采用水热法成功刻蚀Mo2Ga2C，并一步原位硫化制备出二硫化钼/ 碳化钼异质结，一步法方法简便。并且，通过比较最终产品可知：现有技术中碳化钼是修饰在二硫化钼片状结构的边缘；而本发明是硫化钼均匀生长在碳化钼的表面。在此基础上，现有技术的产品实际应用到析氢电催化剂，而本发明提供的产品是应用到二次锂离子电池方向。
本发明还提供了一种Mo2C@MoS2异质结在二次离子电池、超级电容器及电催化领域中的应用，所述Mo2C@MoS2异质结为上述技术方案所述的 Mo2C@MoS2异质结。
在本发明中，所述Mo2C@MoS2异质结适合在锂离子电池领域的应用；在本发明优选的实施例中，可将其作为工作电极，锂片作为对电极，采用1M LiPF6 in EC/DMC的电解液，在氩气气氛的手套箱中组装CR2032型纽扣电池。
本发明提供了一种Mo2C@MoS2异质结及其制备方法和应用；该制备方法包括以下步骤：将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合，依次加入氯化铵、DMSO 溶解，并去除溶解氧，然后进行水热反应；得到的反应混合物冷却后，洗涤至中性，再经干燥，得到Mo2C@MoS2异质结。本发明提供了一种原位刻蚀 Mo2Ga2C制备Mo2C@MoS2异质结的方法，通过简单的一步水热反应刻蚀Mo2Ga2C的同时，在其表面生成均一的无定型MoS2；本发明提供的制备方法工艺简单，易于大批量生产，得到的产物界面结构均一，表面吸附基团少，活性位点丰富，可应用于二次离子电池、超级电容器、电催化等领域，且具有潜在商业应用价值。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例中所用的试剂均为市售；此外，所用的Mo2Ga2C MAX粉末采用公开号为CN111732103A的中国专利中实施例1提供的制备方法制备而成。
实施例1
称取Mo2Ga2C MAX粉末样品200mg，量取20mL去离子水并用气枪通氩气除去溶解的氧，将Mo2Ga2C粉末加入去离子水中并倒入50mL的聚四氟乙烯内衬中；然后称取8.025g氯化铵加入上述溶液混合，搅拌溶解后，加入2mL DMSO，并通氩气除去溶解氧；将上述聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中，放入180℃的烘箱中反应5天；反应结束后自然降温至室温，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，利用冷冻干燥技术在-82℃下干燥24小时，得到Mo2C@MoS2异质结。
将本发明实施例1制备的材料作为工作电极，锂片作为对电极，采用1M LiPF6 inEC/DMC的电解液，在氩气气氛的手套箱中组装CR2032型纽扣电池，工作电压为0.01～3V，放在Land CT2001A cell test system进行测试。
图1为制备的Mo2C@MoS2异质结的X射线衍射谱，从图中可以看出，经过上述实验方法刻蚀后，位于34.2°，37.4°，40.0°和42.6°等位置的 Mo2Ga2C的特征峰明显降低，证明Ga被成功的从Mo2Ga2C的层间刻蚀出来； Mo2C@MoS2异质结也显示出与Mo2Ga2C不同的特征峰，位于8.5°的(0002) 相比于Mo2Ga2C的9.9°明显降低，层间间距增加，进一步证明了刻蚀的成功。
图2为制备的Mo2Ga2C(a)和Mo2C@MoS2异质结(b)的扫描电子显微镜图，从图中可以看出，Mo2C@MoS2异质结的形貌不同于Mo2Ga2C表面光滑的片层形状，而是表面成长了一层均匀的纳米片。
图3为制备的Mo2C@MoS2异质结的SEM EDS图，Mo2C@MoS2异质结中O的原子含量约为15％～25％，含有少量的Cl；值得一提的是S原子含量提升明显，原子比大约为5％。
图4为制备的Mo2C@MoS2异质结的透射电子显微镜图，可以看出表面纳米片层的厚度为40nm～50nm，且厚度均匀，表面纳米片并无明显的晶格条纹；从图5表层结构的TEM EDS中得到Mo与S的原子比约为1：2，结合X 射线衍射谱的结果，证实Mo2C表面这一层为无定型的MoS2，即成功的制备出Mo2C@MoS2异质结材料。
图6为制备的Mo2C@MoS2异质结的电化学性能图；图6(a)为电流密度在0.1A g-1至8A g-1的倍率性能图，可以看出0.1A g-1首圈具有2320mAh g-1的放电比容量和1196mAh g-1的充电比容量，在高电流密度8A g-1下还具有178mAh g-1的比容量，当放电70多圈回到0.1Ag-1时，比容量仍能接近 800mAh g-1，表明材料的结构稳定，展示了优异的倍率性能；图6(b)为电流密度在1A g-1的循环性能图，经过500圈的长循环，材料容量没有减少，反而增加至600mAh g-1，较以往的MXenes有显著的提升。
实施例2
称取Mo2Ga2C MAX粉末样品200mg，量取20mL去离子水并用气枪通氩气除去溶解的氧，将Mo2Ga2C粉末加入去离子水中并倒入50mL的聚四氟乙烯内衬中；然后称取8.025g氯化铵加入上述溶液混合，搅拌溶解后，加入0.5mL DMSO，并通氩气除去溶解氧；将上述聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中，放入180℃的烘箱中反应6天；反应结束后自然降温至室温，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，利用冷冻干燥技术在-82℃下干燥24小时，得到Mo2C@MoS2异质结。
图7为加入0.5mL DMSO经过180℃-6天制备的Mo2C@MoS2异质结的 X射线衍射谱，从图中可以看出，经过刻蚀后Mo2Ga2C的特征峰明显降低，异质结材料中(0002)相比于Mo2Ga2C的9.9°降低至8.6°，层间间距增加，进一步证明了刻蚀的成功。
图8为加入0.5mL DMSO经过180℃-6天制备的Mo2C@MoS2异质结的 SEM图，可以观察到部分异质结的生成，但是反应还并不完全。
实施例3
称取Mo2Ga2C MAX粉末样品200mg，量取20mL去离子水并用气枪通氩气除去溶解的氧，将Mo2Ga2C粉末加入去离子水中并倒入50mL的聚四氟乙烯内衬中；然后称取8.025g氯化铵加入上述溶液混合，搅拌溶解后，加入2mL DMSO，并通氩气除去溶解氧；将上述聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中，放入200℃的烘箱中反应5天；反应结束后自然降温至室温，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，利用冷冻干燥技术在-82℃下干燥24小时，得到Mo2C@MoS2异质结。
经过上述实验方法刻蚀后，Mo2Ga2C的特征峰明显降低，证明Ga被成功的从Mo2Ga2C的层间刻蚀出来，刻蚀成功；制备的材料(0002)相比于Mo2Ga2C 也明显降低，层间间距增加；表面形貌出现了一定厚度堆积的纳米片层；元素分布图中S元素在表面的存在，进一步证实了异质结的成功合成。
比较例1
称取Mo2Ga2C MAX粉末样品200mg，量取20mL去离子水并用气枪通氩气除去溶解的氧，将Mo2Ga2C粉末加入去离子水中并倒入50mL的聚四氟乙烯内衬中；然后称取8.025g氯化铵加入上述溶液混合，搅拌溶解后，加入2mL DMSO，并通氩气除去溶解氧；将上述聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中，放入140℃的烘箱中反应5天；反应结束后自然降温至室温，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，利用冷冻干燥技术在-82℃下干燥24小时，得到反应物。
利用X射线衍射技术对比较例1中得到的材料进行分析，得到其X射线衍射图谱，如图9所示；从图9中可以看出，Mo2Ga2C的特征峰仍然存在，同时并没有明显的Mo2CTx MXenes的特征峰出现，证明Mo2Ga2C没有被完全成功刻蚀。
图10的SEM图中发现，表面并无纳米片的生成，并没有形成Mo2C@MoS2异质结。
比较例2
称取Mo2Ga2C MAX粉末样品200mg，量取20mL去离子水并用气枪通氩气除去溶解的氧，将Mo2Ga2C粉末加入去离子水中并倒入50mL的聚四氟乙烯内衬中；然后称取8.025g氯化铵加入上述溶液混合，搅拌溶解后，通氩气除去溶解氧；将上述聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中，放入180℃的烘箱中反应5天；反应结束后自然降温至室温，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，利用冷冻干燥技术在-82℃下干燥24小时，得到反应物。
经过上述方式的刻蚀，Mo2Ga2C的特征峰明显降低，(0002)峰左移，说明制备的材料被成功刻蚀；但是其表面形貌与Mo2Ga2C并没有明显差异，且元素分布图中S元素不存在，说明表面MoS2没有形成，异质结不存在。
比较例3
称取Mo2Ga2C MAX粉末样品200mg，量取20mL去离子水并用气枪通氩气除去溶解的氧，将Mo2Ga2C粉末加入去离子水中并倒入50mL的聚四氟乙烯内衬中；然后在上述溶液中加入2mL DMSO，并通氩气除去溶解氧；将上述聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中，放入180℃的烘箱中反应5天；反应结束后自然降温至室温，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性，利用冷冻干燥技术在-82℃下干燥24小时，得到反应物。
采用上述方式的刻蚀，制备的材料并没有被刻蚀，还保持了Mo2Ga2C的晶相；刻蚀不成功。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种Mo2C@MoS2异质结的制备方法，包括以下步骤：
将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合，依次加入氯化铵、DMSO溶解，并去除溶解氧，然后进行水热反应；得到的反应混合物冷却后，洗涤至中性，再经干燥，得到Mo2C@MoS2异质结；所述水热反应的温度为160℃～200℃，时间为3天～6天。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Mo2Ga2C MAX前驱体的制备方法具体为：
a)将碳化钼纳米粉与金属镓混合加热研磨，得到混合物；所述碳化钼纳米粉与金属镓的摩尔比小于1：2；
b)将所述混合物在密闭低真空条件下，高温烧结，得到Mo2Ga2C MAX前驱体；所述高温烧结的温度为800℃～900℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将Mo2Ga2C MAX前驱体与水混合后，Mo2Ga2C MAX前驱体粉末的浓度为5mg/mL～15mg/mL。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加入氯化铵后，氯化铵的浓度大于6mol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，加入DMSO后，DMSO的浓度大于0.01mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述洗涤的方式为同时使用去离子水和无水乙醇清洗5～8次。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的方式为冷冻干燥；所述冷冻干燥的温度为-90℃～-60℃，时间为20h～30h。
8.一种Mo2C@MoS2异质结，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的制备方法制备而成。
9.一种Mo2C@MoS2异质结在二次离子电池、超级电容器及电催化领域中的应用，其特征在于，所述Mo2C@MoS2异质结为权利要求8所述的Mo2C@MoS2异质结。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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