一種可控合成碳包覆二硫化鉬/聚苯胺電極材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種可控合成碳包覆二硫化鉬/聚苯胺電極材料的方法，屬于能源與新材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超級電容器作為一種新型的能量儲存設(shè)備，因其高功率密度、快速充放電、持久循環(huán)壽命等優(yōu)點而越來越受到關(guān)注。尤其是它的安全性是傳統(tǒng)的鋰電池?zé)o法比擬的。目前，超級電容器已被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動汽車等各類設(shè)備中。
[0003]電極材料是超級電容器的重要組成部分，目前超級電容器電極材料的研究主要集中在:傳統(tǒng)碳基材料、金屬氧化物、金屬氫氧化物、過渡金屬硫化物、導(dǎo)電聚合物等。其中導(dǎo)電聚合物作為一種人工合成的材料，相對于傳統(tǒng)碳材料，具有高得多的比電容，成本低，污染小，易制備等特點。導(dǎo)電聚合物通過對離子的摻雜和和解摻雜來存儲能量，然而，由于這個過程會帶來聚合物體積的膨脹和收縮，導(dǎo)致導(dǎo)電聚合物的降解和結(jié)構(gòu)破壞，用作超級電容器電極材料時，它的循環(huán)性能在經(jīng)過1000次左右就變得較差。
[0004]二硫化鉬作為一種層狀材料，可以輕易制得類似石墨烯一樣的單層納米片，由于高的反應(yīng)活性、價格低廉、環(huán)境友好、制備工藝簡單而受到大家的關(guān)注，已經(jīng)成為最具有研究價值的二維材料之一。二硫化鉬可以通過可逆地吸附離子來達(dá)到充放電，具有比碳基材料高得多的比容量。然而，由于二硫化鉬本體是是一種半導(dǎo)體，剝離得到的二硫化鉬納米片也往往含有較少的導(dǎo)電相，而且會發(fā)生嚴(yán)重的聚集，這些制約了二硫化鉬在鋰電池、超級電容器等儲存設(shè)備中的廣泛應(yīng)用。
[0005]通過在活性材料表面包覆其他物質(zhì)，能夠使得活性材料的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，承受更大的體積變化，保證優(yōu)異性能的持久性。但是包覆物質(zhì)的厚度一般不宜控制，最終導(dǎo)致包覆層結(jié)構(gòu)無法優(yōu)化，影響到材料的活性。如何合理地合成厚度可控的包覆層，使得不僅不會降低材料性能，反而可以起到導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的作用，增加材料的活性和穩(wěn)定性，現(xiàn)在還一直是難以解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可控合成碳包覆二硫化鉬/聚苯胺電極材料的方法，該方法具有工藝流程簡單，操作容易，產(chǎn)物質(zhì)量高，可控性好及有望大量生產(chǎn)等優(yōu)點。利用該方法制得的電極材料，電化學(xué)性能非常優(yōu)異(在I a g—1KigSees f g—1)特別是循環(huán)性能驚人(經(jīng)過10000次循環(huán)容量保持80%)。
[0007]本發(fā)明提供了一種可控合成碳包覆二硫化鉬/聚苯胺電極材料的方法，該方法采用二硫化鉬本體為原料，利用鋰離子插層-超聲剝離方法制備得到高導(dǎo)電性的二硫化鉬單層納米片，將制備的二硫化鉬單層納米片與苯胺單體按比例混合，原位聚合形成二硫化鉬/聚苯胺復(fù)合材料，最后以葡萄糖為碳源，經(jīng)水熱法合成厚度可控的碳包覆二硫化鉬/聚苯胺電極材料;其中:二硫化鉬、聚苯胺、碳層三種組分構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)，二硫化鉬與聚苯胺的質(zhì)量比為I:40-50:1，二硫化鉬與碳層的質(zhì)量比為1:100-10:1。
[0008]本發(fā)明中，采用鋰離子插層-超聲剝離的方法，具體為:制備單層二硫化鉬納米片的時間為0.5 h-96 h，反應(yīng)溫度為O °C_50 °C，較佳的反應(yīng)溫度為10 0C-40 °C;采用N-甲基吡咯烷酮、乙醇、水等溶劑進(jìn)行分散，超聲分散功率為100-1800 W，較佳的超聲分散功率200-1000 W，超聲時間為5 min-10 h，較佳的超聲時間為0.5 h_5 h。
[0009]本發(fā)明中，采用原位聚合形成二硫化鉬/聚苯胺復(fù)合材料，具體為:以過硫酸銨為引發(fā)劑，pH=l-5的酸性條件下，反應(yīng)溫度為-10 °C-30 °C，較佳的反應(yīng)溫度為:-4 °C_20°C，反應(yīng)時間為0.5 h-48 h，較佳的反應(yīng)時間為5 h-30 h。
[0010]本發(fā)明中，水熱法合成碳層厚度可控的碳包覆二硫化鉬/聚苯胺復(fù)合材料中，控制水熱溫度為90 °C-300 °C，較佳的水熱溫度為:120 °C-250 °C，水熱時間為0.5 h-72 h，較佳的水熱時間為I h-48 ho
[0011 ]本發(fā)明的特點及有益效果是:
1.本發(fā)明采用鋰離子插層-超聲剝離的方法，得到導(dǎo)電相含量高達(dá)72%的二硫化鉬單層納米片。
[0012]2.本發(fā)明采用原位聚合的方法，得到聚苯胺納米結(jié)構(gòu)均勻生長在單層二硫化鉬上的二硫化鉬/聚苯胺復(fù)合材料。
[0013]3.本發(fā)明采用水熱法，得到碳層厚度可控的碳包覆二硫化鉬/聚苯胺復(fù)合材料。
[0014]4.工藝流程簡單，操作容易，成本低，可有望大量生產(chǎn)。
[0015]總之，根據(jù)本發(fā)明的電極材料，與常規(guī)的電極材料不同，其電化學(xué)性能非常優(yōu)異(在I A g—1比電容為668 F g—1)特別是循環(huán)性能驚人(經(jīng)過10000次循環(huán)容量保持80%)。
【附圖說明】
[0016]圖1.二硫化鉬的(a)原子力照片、(b)透射電鏡照片和(C)XPS譜圖。
[0017]圖2.聚苯胺含量不同的碳包覆二硫化鉬/聚苯胺的透射電鏡圖。其中:(a)反應(yīng)溫度為-4 °C，反應(yīng)時間為20 h，二硫化鉬與聚苯胺的質(zhì)量比為l:10、(b)反應(yīng)溫度為O °C，反應(yīng)時間為30 h，二硫化鉬與聚苯胺的質(zhì)量比為l:20、(c)反應(yīng)溫度為-5 °C，反應(yīng)時間為40h，二硫化鉬與聚苯胺的質(zhì)量比為1:200。
[0018]圖3.采用控制水熱時間和溫度可控合成不同厚度碳層的透射電鏡圖。(a)3nm厚度碳層、(b)5nm厚度碳層，(c)9nm厚度碳層。
[0019]圖4.3 nm厚碳層包覆的二硫化鉬/聚苯胺的超級電容器性能圖。(a)循環(huán)伏安曲線、(b)橫流充放電曲線和(C)1000次循環(huán)性能圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1
本實施例的具體步驟如下:
步驟一:以2 Mi二硫化鉬粉末為原料，采用鋰離子插層法反應(yīng)10 h，30 °〇在水中以400W功率超聲10 min，剝離得到單層納米片，采用15000轉(zhuǎn)/min高速離心方法去除尚未完全剝離的二硫化鉬和厚二硫化鉬片。
[0021]電鏡下觀察表明，所得二硫化鉬表面平整，厚度約為Inm，幾乎都是單層，導(dǎo)電IT相含量為72%。
[0022]步驟二:將制備的二硫化鉬與苯胺單體按一定比例混合后，以過硫酸銨為引發(fā)劑，pH=l_5的酸性條件下，反應(yīng)溫度為-4 °C，反應(yīng)時間為20 h，控制二硫化鉬與聚苯胺的質(zhì)量比例為I: 10。
[0023]電鏡下觀察表明，聚苯胺均勻地垂直生長在二硫化鉬納米片上。
[0024]步驟三:以葡萄糖為碳源，將其與制備的二硫化鉬/聚苯胺按一定比例混合后，在200 1下，反應(yīng)30 h，控制二硫化鉬與葡萄糖的質(zhì)量比例為1:50。
[0025]電鏡下觀