本發(fā)明涉及一種Fe₃O₄/WS₂的納米復合材料及其制備方法，其中Fe₃O₄為納米粒子(Fe₃O₄NPs)，WS₂為納米片，通過一步法自組裝制備出Fe₃O₄NPs/WS₂的功能復合材料；該材料具有良好的電化學性能，制備工藝簡單、綠色環(huán)保，作為新型能源材料在超級電容器、鋰電池等電子設(shè)備領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代通訊設(shè)備以及電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，超級電容器的蓄電能力和循環(huán)次數(shù)的要求越來越高，而提高超級電容器各項性能指標的關(guān)鍵在于改良超級電容器的電極材料，因此近些年來超級電容器的電極材料得到了廣泛關(guān)注。

繼石墨烯在超級電容和鋰電池的運用中良好性能的發(fā)現(xiàn)后，更多種類的石墨烯類二維層狀材料(2D Materials)被廣大學者研究和運用。其中具有“三明治”結(jié)構(gòu)的過渡金屬硫化物MX₂(X-M-X)，已經(jīng)成為極具潛力的候選材料之一。由于具有相似的晶格對稱結(jié)構(gòu)和電子能帶，過渡金屬硫化物在性能上也具有很多共性。它們的分子間由較弱的范德華力堆疊在一起，當通過物理剝離法制備成單層納米片時，所得的二維材料具有極大的比表面積、很強的柔韌性和化學穩(wěn)定性。WS₂納米片作為典型的二維過渡金屬硫化物，具有優(yōu)異的載流子遷移率和熱穩(wěn)定性，在光催化、電極材料、生物傳感等領(lǐng)域得到廣泛運用。

金屬氧化物具有較高的理論電容、豐富的資源和低廉的成本，受到了很大關(guān)注。由于小尺寸效應(yīng)的作用，金屬氧化物納米顆粒作為超級電容器電極材料可以提供更多的電化學活性位點。然而，在充放電過程中，其本身的體積變化會導致較差的循環(huán)壽命和較低的電導率。當納米顆粒發(fā)生團聚時，將嚴重影響其優(yōu)異性能。

近年來WS₂納米片在電化學領(lǐng)域應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。純WS₂的理論電容和電導率較低，單獨作為電極材料時，電子傳遞速率較差。通過與小尺寸的Fe₃O₄納米顆粒復合，可以提高其理論電容和電導率，形成零維/二維(0D/2D)納米復合材料，表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種具有穩(wěn)定的0D/2D復合形貌，并能提高WS₂單體低比電容和Fe₃O₄穩(wěn)定性的Fe₃O₄NPs/WS₂復合材料。這是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并具有良好電化學性能的功能復合材料。

本發(fā)明中的Fe₃O₄NPs/WS₂復合材料具有穩(wěn)定、均勻的微觀形貌，F(xiàn)e₃O₄納米顆粒均勻分散在WS₂納米片表面，顆粒大小均勻，直徑為3nm。如圖1所示。

本發(fā)明中的Fe₃O₄NPs/WS₂復合材料具有良好的電化學性能，在WS₂納米片的基礎(chǔ)上有顯著的提升；在測試電壓范圍0.0～0.6V，掃描速度為20到100mV/s的CV循環(huán)測試中，F(xiàn)e₃O₄NPs/WS₂功能復合材料表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學性能，在100mV/s的掃描速度下達到20.26F/g的比電容值，較純WS₂納米片有顯著的提高(純WS2納米片的比電容值為2.07F/g)，如圖2所示。

實現(xiàn)本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種Fe₃O₄NPs/WS₂功能復合材料，通過一步自組裝法制得，具有工藝簡單、成本低廉、綠色無污染等優(yōu)點，所得Fe₃O₄NPs均勻分布在二維層狀WS₂納米片表面，并且表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學性能，制備步驟如下：

(1)稱取WS₂粉末置于裝有十二烷基硫酸鈉溶液的球磨罐中進行球磨，所得混合懸浮液洗滌、離心、烘干，得到WS₂納米片。

進一步地，WS₂與十二烷基硫酸鈉溶液的質(zhì)量體積比為：3g：200mL，十二烷基硫酸鈉溶液的質(zhì)量百分濃度為0.05％。

進一步地，球磨轉(zhuǎn)速為250rpm，球磨時間為10h。

進一步地，洗滌指依次用去離子水與酒精洗滌；離心速率為8000rpm，離心時間為15min。

(2)稱取WS₂納米片加入到去離子水中超聲使WS₂納米片均勻分散；加入FeCl₃·6H₂O和L-抗壞血酸，在室溫下磁力攪拌均勻，再加入NaHCO₃，繼續(xù)攪拌；所得混合物轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)6h，使納米顆粒反應(yīng)完全并與WS₂納米片充分自組裝，反應(yīng)結(jié)束后取出冷卻至室溫，用去離子水洗滌離心，并在真空干燥箱中干燥。

進一步地，WS₂納米片、去離子水、FeCl₃·6H₂O、L-抗壞血酸、NaHCO₃的質(zhì)量比為3∶30∶0.7095∶0.088∶0.6616。

進一步地，超聲時間為2h；磁力攪拌時間為1h；繼續(xù)攪拌時間為20min。

所得樣品用吸鐵石測試有磁性，說明了Fe₃O₄與WS₂復合。

附圖說明

圖1為Fe₃O₄NPs/WS₂復合材料的透射電鏡圖。

圖2為Fe₃O₄NPs/WS₂復合材料在不同掃描速率下的CV曲線圖。

具體實施方式

本發(fā)明的實施方案是一種工藝簡單、成本低廉、綠色環(huán)保的一步自組裝法，通過水熱法制備出Fe₃O₄NPs/WS₂復合材料，具有0D/2D的復合形貌特征，提高材料的比電容和穩(wěn)定性。

本發(fā)明中的Fe₃O₄NPs/WS₂功能復合材料，具有良好的電化學性能。在測試電壓范圍0～0.6V，掃描速度為20到100mV/s的CV循環(huán)測試中，F(xiàn)e₃O₄NPs/WS₂功能復合材料表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學性能，在100mV/s的掃描速度下達到20.26F/g的比電容。

本發(fā)明設(shè)計優(yōu)良電化學性能Fe₃O₄NPs/WS₂功能復合材料的制備方法，實例包括以下步驟：

(1)稱取3g WS₂粉末放入球磨罐中，加入200mL十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液(0.05％)，在250rpm轉(zhuǎn)速下球磨10h，將混合懸浮液用去離子水與酒精洗滌，離心速率為8000rpm，離心時間為15min。在真空干燥箱中烘干，得到WS₂納米片。

(2)按比例稱取上述所得WS₂納米片在30mL去離子水中進一步超聲2h使之均勻分散。加入0.7095g FeCl₃·6H₂O和0.088g L-抗壞血酸，持續(xù)磁力攪拌攪拌1h，再加入0.6616g NaHCO₃，攪拌20min，轉(zhuǎn)移至150mL反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)6h，使納米顆粒反應(yīng)完全并與WS₂納米片充分自組裝。反應(yīng)結(jié)束后取出冷卻至室溫，用去離子水洗滌離心，并在真空干燥箱中干燥。