類石墨烯過渡金屬硫化物-石墨烯復合納米材料的合成及其電化學儲鋰性能的研究.pdf

1、鋰離子電池具有能量密度高、環(huán)境友好、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在移動通訊等便攜電子設備中得到了廣泛應用。最近石墨烯的發(fā)現(xiàn)，其獨特的二維平面結構和優(yōu)異的導電性，極大的促進了在鋰電池電極材料中鋰離子的脫嵌能力，從而受到了人們的廣泛關注。目前大量文獻中所報導的石墨烯基復合材料均以金屬或金屬氧化物同石墨烯的復合材料，由于兩者結構的不匹配，導致作為鋰離子電池負極材料的循環(huán)性能不令人滿意。本論文首次提出了類石墨烯(Graphene-like)過渡金屬硫化物

2、（MoS2和SnS2）與石墨烯(Graphene)的納米復合材料的設計和制備方法，并深入研究了其作為鋰離子電池負極材料的電化學儲鋰性能，探討了類石墨烯過渡金屬硫化物/石墨烯復合材料的形成機理，以及制備條件對類石墨烯過渡金屬硫化物/石墨烯納米復合材料的微觀結構和電化學脫嵌鋰性能的影響。
　　 通過簡單的液相-燒結法制備出類石墨烯MoS2與無定形碳的復合材料。首先以鉬酸鈉、硫脲和葡萄糖為前驅體合成出MoS2/C復合材料，再經(jīng)過氮氣保

3、護800℃熱處理2小時后，制備得到類石墨烯MoS2/無定形碳復合材料。產(chǎn)物經(jīng)XRD、SEM、EDX和HRTEM驗證，類石墨烯MoS2以單分子層形式均勻的分散在無定形碳中，相毗鄰的類石墨烯MoS2片層之間的層間距為～1.0nm。初步研究了類石墨烯MoS2/無定形碳復合材料的形成機理。經(jīng)電化學性能測試，類石墨烯MoS2/無定形碳復合材料顯示了很高的儲鋰容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在所有對比的樣品中，以在反應過程中添加1.0g葡萄糖制備的類石墨烯

4、MoS2/無定形碳復合材料性能最佳，最高可逆容量達962mAh/g，而且在100次循環(huán)后容量仍有912mAh/g。我們將其歸因于單層MoS2的特殊結構以及與無定形碳之間的協(xié)同效應。
　　 為了進一步改善類石墨烯MoS2/無定形碳復合材料的電化學儲鋰性能，尤其是提高其高倍率充放電性能，我們在復合材料引入了石墨烯，用類似的方法合成出單層MoS2、石墨烯和無定形碳的納米復合材料(SL-MoS2/G@a-C)，產(chǎn)物經(jīng)XRD、SEM、ED

5、X和HRTEM系統(tǒng)的表征發(fā)現(xiàn)，單層的MoS2和石墨烯納米片高度均勻的分散在無定形碳中，研究了其形成的機理。研究發(fā)現(xiàn)，這種SL-MoS2/G@a-C復合材料不僅顯示了更高的可逆容量，同時也顯示了很好的循環(huán)性能和倍率性能。在所有的SL-MoS2/G@a-C復合材料中，SL-MoS2/G@a-C(1:1)樣品顯示了最高的可逆容量1116mAh/g，250次循環(huán)后容量幾乎沒有衰減，即使在大電流密度1000mA/g下，其可逆容量仍高達850mAh

6、/g，并且也沒有明顯的容量衰減，其高倍率充放電特性得到顯著改善。
　　 通過原位水熱合成的方法，以鉬酸鈉、硫脲和經(jīng)改良Hummers法制備的氧化石墨烯為原料，一步直接制備了MoS2/石墨烯的復合材料。通過XRD、SEM、TEM和EDX對不同比例的樣品進行了測試和表征，發(fā)現(xiàn)這種原位還原法使得MoS2層在石墨烯表面生長，從而形成MoS2/石墨烯納米片復合材料。經(jīng)電化學性能測試發(fā)現(xiàn)，此復合材料具有格外高的可逆容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。其

7、中，樣品MoS2/GNS(1:2)顯示了超高的可逆容量1300mAh/g，而且同時具有很好的循環(huán)性能和倍率性能，我們把這種現(xiàn)象歸因于MoS2和石墨烯之間的協(xié)同效應。
　　 采用L-半胱氨酸輔助液相合成法，以鉬酸鈉、氧化石墨烯、L-半胱氨酸為原料，制備出層狀的MoS2/G復合材料，再經(jīng)氮氣保護800℃熱處理2小時。通過XRD、SEM、TEM和EDX對不同比例的樣品進行了測試和表征，并系統(tǒng)研究了石墨烯含量對復合材料微觀形貌及晶體結構

8、的影響，發(fā)現(xiàn)當MoS2與石墨烯摩爾比為1:2時，其產(chǎn)品形貌為完美的三維花狀結構。同時由于石墨烯的介入，使得MoS2晶型沿c軸方向的生長被抑制，大大削弱了(002)面衍射峰的強度，形成少層數(shù)的復合結構。熱處理后的MoS2/G復合材料顯示了高的可逆容量和循環(huán)性能，其中具有完美三維花狀的MoS2/G(1:2)樣品具有最高的可逆容量1100mAh/g，而且在100次循環(huán)后容量沒有任何衰減，在大電流充放電下也顯示了很好的循環(huán)性能。MoS2/G復合

9、材料優(yōu)異的電化學性能歸因于堅實的三維復合結構和MoS2和石墨烯之間的協(xié)同效應。
　　 采用SnC14、L-半胱氨酸和氧化石墨烯為原料，通過一步水熱法成功制備出少層數(shù)的SnS2/石墨烯復合材料，經(jīng)XRD、SEM、TEM和EDX測試和表征發(fā)現(xiàn)，含有大量缺陷或無序結構的少層數(shù)SnS2附載在石墨烯表面形成由很多納米片組成的三維球狀FL-SnS2/G復合材料。經(jīng)電化學測試發(fā)現(xiàn)，這種少層數(shù)SnS2/G復合材料可逆容量高達920mAh/g，同

10、時具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。經(jīng)電化學阻抗譜驗證，石墨烯的介入確實提高了復合材料中的電子電導率和電子快速遷移能力，能夠促進鋰離子更快的脫嵌。
　　 以SnCl4和L-半胱氨酸為反應物，以乙二醇和水混合溶液作反應溶劑，通過微波輔助合成的方法，在很短的時間內(nèi)制備了SnS2/SnO2復合材料。樣品通過XRD、SEM、TEM和EDX進行表征，并討論了Sn4+離子和L-半胱氨酸的摩爾比例對產(chǎn)物的晶體結構和微觀形貌的影響。發(fā)現(xiàn)當摩爾比Sn