类石墨烯MoS2/石墨烯复合纳米材料的合成及其电化学储锂性能的研究

摘要

类石墨烯过渡金属二硫化物MoS2和石墨烯因其独特的结构具有众多优异的物理化学特性。基于两者在晶体结构和微观形貌上的匹配性和电学性能上的互补性，这两种材料所制备的复合材料能够最大程度地显示二者之间的协同效应。这种新型复合纳米材料作为锂离子动力电池负极材料不仅具有高的电化学贮锂可逆容量，而且具有优异的循环性能和好的高倍率充放电特性。本论文提出了采用阳离子表面活性剂协助的方法，制备类石墨烯(Graphene-Like，GL)过渡金属二硫化物MoS2/石墨烯复合纳米材料，探讨其生长机理并研究其作为锂离子动力电池负极材料的电化学贮锂性能。
　　 通过十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的协助，利用简单液相合成法制备出单层MoS2与石墨烯的复合材料。首先将少量的阳离子表面活性剂CTAB与氧化石墨烯分散体系充分混合，使得阳离子表面活性剂吸附在氧化石墨烯纳米片的表面，然后加入硫代钼酸铵(ATTM)，再用还原剂水合肼在～95℃下使氧化石墨烯和MoS42-共同还原，得到复合纳米材料的前驱体，再经过氮气保护800℃热处理2小时后，制备得到单层MoS2/石墨烯的复合材料。XRD、SEM、EDX和HRTEM验证了产物的形貌和微观结构;初步探讨了单层MoS2/石墨烯复合材料的形成机理。电化学测试表明SL-MoS2/GNS复合材料比纯相MoS2有更高的可逆容量和更优异的循环稳定性。电化学阻抗谱显示，在复合材料中，GNS不仅降低了电极的接触电阻，也极大地促进了脱嵌锂反应中的电子转移。SL-MoS2/GNS复合材料出色的电化学储锂可逆性能归因于该材料本身特有的稳定结构和单层MoS2纳米片与石墨烯之间增强的协同效应。
　　 采用不同的阳离子表面活性剂协助合成MoS2/GNS复合材料，如十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)和辛基三甲基溴化铵(OTAB)。上述这些阳离子表面活性剂含有不同长度的碳链，研究了这些不同的阳离子表面活性剂对所制备的复合材料的微观结构和电化学贮锂性能的影响。另外，我们通过采用四丁基溴化铵(TBAB)，研究几何立体结构对复合纳米材料制备的影响，初步实验发现四丁基溴化铵对复合材料中MoS2形成类石墨烯结构的效果较差，原因是四个正丁基的立体结构阻碍了带正电荷的季铵盐与氧化石墨烯之间的静电作用。同时研究还发现不同的阳离子表面活性剂可以控制MoS2的层数。如MoS2/GNS-D复合材料中的MoS2片是以单分子层存在的，而MoS2/GNS-O复合材料中的MoS2有4-6层的。对于MoS2/GNS-T复合材料，MoS2有8-12层的。在这三种MoS2/GNS样品中，MoS2/GNS-D和MoS2/GNS-O复合材料提供较高的可逆容量900-1100 mA g-1，而且在110次循环后容量几乎没有衰减。即使在大电流密度1000 mA g-1下，其可逆容量仍高达670mAh g-1，并且也没有衰减。
　　 通过液相合成的方法，以硫代钼酸铵(ATTM)和经改良Hummers法制备的氧化石墨烯为原料，采用水合肼为还原剂一步直接制备了MoS2/石墨烯的复合材料。通过XRD、SEM、TEM和EDX对不同比例的样品进行了测试和表征，发现这种方法可以使MoS2层在石墨烯表面生长，从而形成MoS2/石墨烯纳米片复合材料。经电化学性能测试发现，此复合材料具有高的可逆容量和良好的循环稳定性。其中，样品MoS2/GNS(1∶1)显示了1065mAh g-1的可逆容量，而且同时具有很好的循环性能和倍率性能，我们把这种现象归因于MoS2和石墨烯之间的协同效应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池概述

1．1．1 锂离子电池工作原理

1．1．2 锂离子电池负极材料

1．2 石墨烯概述

1．2．1 石墨烯的制备方法

1．2．2 石墨烯在锂离子电池中的应用

1．3 二维(2D)过渡金属二硫化物概述

1．3．1 MS2的结构

1．3．2 二维过渡金属二硫化物的制备方法

1．3．2 二维过渡金属二硫化物在锂离子电池方面的应用

1．4 本论文研究内容

第二章 CTAB-协助合成单层MoS2／石墨烯纳米复合材料及其在锂离子电池中的储锂性能研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 材料的制备方法

2．2．2 物相和表面形貌分析

2．2．3 电化学性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 晶体结构和形貌分析

2．3．2 生长机理分析

2．3．3 电化学性能分析

2．4 本章小结

第三章 类石墨烯MoS2／Graphene复合材料的制备：不同阳离子表面活性剂对其微观结构及其作为锂离子电池阳极材料的电化学性能的影响

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 氧化石墨烯制备

3．2．2 MoS2／石墨烯复合材料的制备

3．2．3 物相和表面形貌分析

3．2．4 电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 样品的形貌和晶体结构分析

3．3．2 形成机理分析

3．3．3 电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 MoS2／石墨烯纳米复合材料的液相合成及其电化学性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 氧化石墨烯制备

4．2．2 MoS2／石墨烯复合材料的制备

4．2．3 物相和表面形貌分析

4．2．4 电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 样品的晶体结构和形貌分析

4．3．2 电化学性能分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本论文创新之处

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文与取得的研究成果