一種石墨烯/二硫化鉬復合電極材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及新型化學電源和新能源材料領域，具體公開了一種石墨烯/二硫化鉬復合電極材料及其制備方法，該制備方法的步驟包括：1）以石墨為原料，通過氧化插層法制備氧化石墨；2）將制備的氧化石墨用去離子水溶解，超聲剝離獲得氧化石墨烯溶液，然后加入DMF、鉬酸鹽，最后加入還原劑，分散均勻，獲得混合溶液；3）將混合溶液轉移到反應釜中，在大于等于180℃的溫度條件下保溫5～10h，產物離心、洗滌除去DMF，干燥，獲得石墨烯/二硫化鉬復合電極材料產物。本發明專利技術的石墨烯/二硫化鉬復合電極材料制備方法簡單、反應體系均勻，生產成本低，極適合工業大規模生產的要求；制備產物石墨烯/二硫化鉬復合電極材料具有較佳的電化學性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及新型化學電源和新能源材料領域，具體公開了一種石墨烯/ 二硫化鑰的復合電極材料及其制備方法。
技術介紹
現在使用的化石燃料(石油和煤炭)資源，到21世紀50年代將接近枯竭，而且這種燃料對環境有嚴重的污染。國際科技界正在尋找新的能源，氫能源是其中之一。氫的燃燒熱為28900千卡/千克，大約是汽油燃燒熱的三倍。反應產物是水，對環境沒有污染，且燃燒生成的水還可繼續制氫，反復循環使用。產物水無腐蝕性，對設備無損，所以人們把氫稱 作干凈能源。1976年組成的國際氫能協會，主要研究氫的發生、儲存和利用。目前液氫已用作火箭燃料；液氫、液氨或儲氫合金貯存的氫氣已用作汽車燃料。但由于氫的生產成本高于化石燃料，推廣使用尚有困難。氫能源能是一種二次能源，它是通過一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采、幾乎完全依靠化石燃料。在工業上通常采用如下幾種方法制取氫氣一是將水蒸氣通過灼熱的焦炭(稱為碳還原法)，得到純度為75%左右的氫氣；二是將水蒸氣通過灼熱的鐵，得到純度在97%以下的氫氣；三是由水煤氣中提取氫氣，得到的氫氣純度也較低；第四種方法就是電解水法，制得的氫氣純度可高達99%以上，這是工業上制備氫氣的一種重要方法。但是為了提高電解水制氫的效率，要使用一種有效的催化劑。過渡金屬層狀二元化合物因具有良好的光、電、潤滑、催化等性能，備受人們的關注。硫化鑰便是其中的典型代表之一，MoS2是一種抗磁性且具有半導體性質的化合物，其中Mo-S棱面相當多，催化性能具有比表面積大，吸附能力強，反應活性高等優點，所以今年來備受關注。但是，雖然MoS2層狀結構是一種很有前途的電化學電極材料，但是未能得到工業化應用，因為MoS2的導電性能較差。由于石墨烯具有很高的比表面積、超強的力學性能、高的導電和導熱等優異性能，因此，本專利技術使用石墨烯和二硫化鑰的復合納米結構材料作為電極，有利于電極反應過程中的電子傳遞，增強電極的電化學性能。在制備石墨烯/ 二硫化鑰的復合電極材料方面，Kun Chang等人以Hummer法制備的氧化石墨烯，L-crysteine和鑰酸鈉為原料，在水溶液中制備復合材料，并探索了鋰離子電池方面的應用 ° [Kun Chang and Weixiang Chen, L-Crysteine-assisted synthesis oflayered MoS2/Graphene composites with excellent electrochemical performancesfor lithium ion batteries, ACS Nano 5 (2011) 4720],復合材料主要用于鋰離子電池研究。Yangguang Li 等人使用純有機溶劑 N, N-dimethylformamide (DMF, N, N-二甲基甲酸胺)合成了二維的二硫化鑰均勻附著在二維石墨烯表面的復合結構材料，并證明復合材料作為電極優異的電解制氫特性[Yangguang Li et al.，MoS2 nanoparticles grown ongraphene: an advanced catalyst for the hydrogen evolution reaction, J. Am. Chem.Soc. 133 (2011) 7296]。但這種方法全部使用DMF，而水熱合成的原料氧化石墨烯是親水不親油的，因此在DMF中的分散很困難，產物很難均勻，其外有機溶劑本身價格貴，后處理也不經濟。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的缺陷，提供ー種石墨烯/ ニ硫化鑰復合電極材料及其制備方法，本專利技術石墨烯/ ニ硫化鑰復合電極材料的制備過程在水和有機物組成的復合溶劑中進行，不僅極大地增強了水熱反應過程中產物石墨烯/ ニ硫化鑰的均勻性，而且還減少了昂貴有機溶劑DMF的使用。本專利技術首先公開了ー種石墨烯/ ニ硫化鑰復合電極材料的制備方法，具體步驟如下I)以石墨為原料，通過氧化插層法制備氧化石墨；2)將步驟I)制備的氧化石墨用去離子水溶解，超聲剝離獲得氧化石墨烯溶液，然后向氧化石墨烯溶液中加入DMF、鑰酸鹽，最后加入還原劑，分散均勻，獲得混合溶液； 3)將步驟2)制備的混合溶液轉移到反應釜中，在大于等于180°C的溫度條件下保溫5 10h，將得到的產物離心后，用去離子水多次洗滌除去DMF，干燥，獲得石墨烯/ ニ硫化鑰復合電極材料產物。較優的，步驟I)所述氧化插層法選自Hrnnmer法或Staudenmair法。Hummer法及Staudenmair法均為現有技術,采用Staudenmair法制備氧化石墨的反應過程包括低溫下將石墨加入到硝酸和硫酸的混合溶液中，攪拌降溫半小時，然后加入氧化劑，反應一段時間后離心或過濾分離獲得氧化石墨。較優的，步驟I)所述石墨為天然鱗片石墨。較優的，步驟2)中所述超聲剝離的時間為5 20min。更優的，步驟2)中所述超聲剝離的時間為lOmin。本專利技術步驟2)中去離子水的用量根據用于反應的氧化石墨的具體用量進行添加，去離子水的最少添加量為剛好能夠完全溶解用于反應的氧化石墨。較優的，所述氧化石墨與去離子水的質量比為O. I 10 :1000ο更優的，所述氧化石墨與去離子水的質量比為O.I 3. 3 1000ο較優的，步驟2)中加入的DMF與去離子水的質量比為O. 5 10:1。較優的，步驟2)中加入的鑰酸鹽與氧化石墨的摩爾比為1:0. I 3。較優的，步驟2)所述鑰酸鹽為可溶性硫代鑰酸鹽。更優的，步驟2)所述鑰酸鹽為四硫代鑰酸銨或四硫代鑰酸鈉。較優的，步驟2)所述還原劑選自水合肼或氫碘酸(HI)。還原劑的用量根據氧化石墨的加入量和還原劑類型而定，一般還原劑過量，使氧化石墨烯被完全還原。較優的，步驟2)中所述分散采用超聲分散，所述超聲分散的時間為5 40min。更優的，步驟2)中所述超聲分散的時間為lOmin。較優的,步驟3)反應爸的反應溫度為300 600°C。產物離心后用去離子水洗漆5 10次，除去反應產物中的DMF。較優的，步驟3)中將洗滌除去DMF后的產物復溶于去離子水中，干燥，獲得石墨烯/ ニ硫化鑰復合電極材料。更優的，干燥方法可以選自冷凍干燥或者噴霧干燥。本專利技術另一方面還公開了采用前述方法制備的石墨烯/ 二硫化鑰復合電極材料，所述石墨烯/ 二硫化鑰復合電極材料中石墨烯與二硫化鑰的摩爾比為O. I 3: I。較優的，所述石墨烯/ 二硫化鑰復合電極材料中石墨烯與二硫化鑰的摩爾比為O.I 1:1，石墨烯與二硫化鑰的摩爾比為1:1的端點除外。本專利技術制備反應的原理為氧化石墨烯納米片含有豐富的含氧官能團，在水熱反應中被超聲分散后不再容易重新團聚或堆積在一起，而且氧化石墨表面的官能團通過絡合作用可以將鑰酸根吸附在氧化石墨納米片的表面，在還原性水熱反應過程中可以使原位生成的石墨烯納米片和二硫化鑰材料高度均勻復合熱處理得到石墨烯納米片和二硫化鑰的復合材料。并且，由于石墨烯納米片具有很高的比表面積、超強的力學性能、高的導電和導熱等優異性能，因此，專利技術用石墨烯納米片和二硫化鑰的復合納米材料制備電極有利于電極反應過程中的電子傳遞增強納米復合材料電極的電化學性能。 現有技術中,Yangguang 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯/二硫化鉬復合電極材料的制備方法，具體步驟如下：1）以石墨為原料，通過氧化插層法制備氧化石墨；2）將步驟1）制備的氧化石墨用去離子水溶解，超聲剝離獲得氧化石墨烯溶液，然后向氧化石墨烯溶液中加入DMF、鉬酸鹽，最后加入還原劑，分散均勻，獲得混合溶液；3）將步驟2）制備的混合溶液轉移到反應釜中，在大于等于180℃的溫度條件下保溫5～10h，將得到的產物離心后，用去離子水多次洗滌除去DMF，干燥，獲得石墨烯/二硫化鉬復合電極材料產物。

【技術特征摘要】
1.ー種石墨烯/ ニ硫化鑰復合電極材料的制備方法，具體步驟如下 1)以石墨為原料，通過氧化插層法制備氧化石墨； 2)將步驟I)制備的氧化石墨用去離子水溶解，超聲剝離獲得氧化石墨烯溶液，然后向氧化石墨烯溶液中加入DMF、鑰酸鹽，最后加入還原劑，分散均勻，獲得混合溶液； 3)將步驟2)制備的混合溶液轉移到反應釜中，在大于等于180°C的溫度條件下保溫5 10h，將得到的產物離心后，用去離子水多次洗滌除去DMF，干燥，獲得石墨烯/ ニ硫化鑰復合電極材料產物。2.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟2)所述超聲剝離的時間為5 20mino3.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中氧化石墨與去離子水的質量比為 O. I 10 :1000ο4.如權利要求I所述的制備方法，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁古巧，杜福平，謝曉明，江綿恒，
申請(專利權)人：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，
類型：發明
國別省市：