[发明专利]一种硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

硫化钼(MoS₂)具有类石墨烯二维层状结构，钼硫层之间通过微弱的范德华尔斯力连接。较大的层间距(0.62nm)不仅有利于锂离子的嵌入和脱出，同时可作为缓冲区域缓解材料的体积变化，是十分理想的锂离子电池负极材料。但是在循环过程中，随着二硫化钼完全反应为钼和硫化锂，会引起较大的体积变化，降低了其循环稳定性。此外，由于二硫化钼本征电子电导较差，使得其倍率性能欠佳。

针对这些问题，常采取的改善方式有，将材料与导电相复合或构建特殊形貌等。其中，与碳材料复合是一种十分有效地改善材料电化学性能的方法。

CN104934602A公开了一种二硫化钼/碳复合材料的制备方法，以氨基改性二氧化硅球做模板，然后通过热解有机碳源包覆模板，再将其与四硫代钼酸铵通过溶剂热反应，在惰性气氛下高温碳化，最后将氧化硅模板去除，得到二硫化钼/碳复合材料。其首次嵌锂容量为1467mAh/g，比容量在30次反复充放电循环后仍可保持在733mAh/g。CN106423218A公开了一种二硫化钼/碳纳米复合材料的合成方法，使用生物质材料腐植酸精钾为碳源，直接合成了负载型的纳米复合结构，工艺简单且成本低廉。CN103553134A公开了一种由二硫化钼-碳-碳纳米管组成的复合纳米管及其制备方法，首先将四硫代钼酸铵和具有表面活性的含碳高分子聚合物依次溶入水中，然后再加入多壁碳纳米管，超声分散后离心、烘干、煅烧，制成MoS₂-C/CNTs。二硫化钼在碳纳米管表面分散均匀，同时改善了复合物的导电性能。

由上可知，现有技术中与硫化钼复合常用的碳材料多为碳纳米管、有机碳源、石墨烯等，上述碳材料多存在价格昂贵，难以分散等问题，且在制备过程中不可避免的需要辅助模板剂或表面活性剂。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种硫化钼/碳复合材料及其制备方法和应用，利用低成本、不需模板剂的合成方式将棉类材料制为碳微米管，再通过其本身的毛细效应及键合作用，使硫化钼直接生长在碳微米管的表面。制备条件温和，碳源绿色环保，且大幅降低生产成本。得到的硫化钼/碳复合材料具有优异的电化学性能，其首次充放电可逆比容量为800-1400mAh/g。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种硫化钼/碳复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将钼源、硫源和有机碳源的混合溶液与棉类碳源混合，得到混合物；

(2)将步骤(1)得到的混合物进行水热反应，反应完成后固液分离，得到硫化钼/碳复合材料的前驱体；

(3)将步骤(3)得到的前驱体进行热处理，得到硫化钼/碳复合材料。

棉类材料是自然界中广泛存在的一种生物材料，能够在高温下碳化得到具有高导电性的碳材料，同时保留其原始形貌，为制备复合电极材料提供了很好的生物模板。使用棉类材料作为碳源，可大幅度缓解棉质衣物等的回收处理问题，同时为制备复合电极材料提供了价格低廉的碳源，绿色环保，符合低碳发展的需求。

棉类材料多为中空纤维结构，经热处理可碳化为碳微米管，同时本身具有毛细效应，利用毛细效应和表面键合作用，可使硫化钼直接生长于碳微米管表面。所得到的硫化钼/碳复合材料具有中空管状结构，有利于电解液的充分浸润，可缩短锂离子和电子的传输路径，增大与电解液的接触面积，提供更多的反应活性位置，同时可一定程度上缓冲材料在循环过程中的体积变化，从而改善材料的倍率性能及循环稳定性。

根据本发明，步骤(1)所述钼源为钼酸铵、钼酸钠、硫代钼酸铵、氯化钼或乙酰丙酮钼中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是钼酸铵、钼酸钠、硫代钼酸铵、氯化钼或乙酰丙酮钼中的任意一种；典型但非限定性的组合为：钼酸铵和钼酸钠；钼酸铵和硫代钼酸铵；钼酸铵和氯化钼；钼酸钠和硫代钼酸铵；氯化钼和乙酰丙酮钼；钼酸铵、钼酸钠和硫代钼酸铵；钼酸铵、钼酸钠、硫代钼酸铵和氯化钼等，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(1)所述硫源为硫化钠、硫代硫酸钠或硫脲中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是硫化钠、硫代硫酸钠或硫脲中的任意一种；典型但非限定的组合为：硫化钠和硫代硫酸钠；硫化钠和硫脲；硫代硫酸钠和硫脲；硫化钠、硫代硫酸钠和硫脲。