[发明专利]一种高性能过渡金属二硫化物纳米片径向组装微球材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能过渡金属二硫化物纳米片径向组装微球材料及其制备方法，属于无机材料领域。

背景技术

随着石墨烯的发现及其在场效应晶体管、光电器件、拓扑绝缘体和电催化剂等领域的潜在运用，二维材料的研究受到人们广泛的关注和研究。在二维材料家族中，层状的金属硫化物由于其特殊的晶体结构、广泛的化学组成、和丰富多样的性质逐渐成为了目前研究的焦点。过渡金属硫化物的研究历史可以追溯到几十年前，现在已经广泛应用于电子、光学、机械、化学和催化等领域。但是对于二维过渡金属硫化物(TMDCs)的研究目前尚处于起步阶段。当块状的TMDCs变为二维结构时，其能带结构由非直接带隙变为直接带隙从而得到优越的光、电等性能。二维的金属硫化物的基本化学式是MX₂，其中M为过渡金属元素(如Ti、V、Nb、Mo、Hf、Ta和W)，X代表硫族元素(包括S，Se和Te)，以MoS₂和WS₂为典型代表。目前关于制备二维的TMDCs的方法已经有很多，但是在实际应用中，二维层状结构表面具有较高的比表面能以及范德华作用力极易使其发生团聚和重新堆叠的现象，以致材料失去其独有的优越性能。例如，Xiao等人(Chem.Mater.2010,22,4522–4524)将从块体中剥离的单层MoS₂应用于锂离子电池中，电池的各项性能得到了明显的改善，单层的二硫化钼虽然能够较好的提升电池的电化学性能，但是制备过程繁琐，且由于结构极易发生再堆叠，因此单层的二硫化钼纳米片并没有得到稳定的循环容量。因此如何利用二维材料的优异的性能同时保证其稳定性对于二维过渡金属硫化物的实际运用有非常重大的意义。

目前对于二维材料组装的合成方法的研究还较少，将二维的纳米片合理组装以得到稳定三维结构是目前较为普遍的一种方法。Chen等人(J.Am.Chem.Soc.2010,132,6124–6130)通过在原料溶液中加入EDTA表面活性剂的方法成功将TiO₂纳米片组装成尺寸为1μm左右的微球，而且使其层状结构中高活性的(001)晶面暴露出来。将其作为锂离子电池的负极材料，在10C的条件下循环100次后电池的容量还可以维持在150mAhg^-1，但材料中TiO₂纳米片状结构保持的不够完整，且电池的容量较低。Wang等人(Adv.Mater.2014,26,964–969)将片状的MoS₂组装成介孔的空心管状，有效地提高了电池的储锂性能，但是管状结构中仍然有大量的非片状的MoS₂，而且电池的循环能力较差。Ceballos等人(ACSNano,2014,12,12717–12724)利用机械剥离的单层MoS₂和MoSe₂表面的范德华作用力将二者复合，利用S和Se原子大小的差别得到一种高效的异质结，在该材料内部可以实现超快电荷的分离和间接激子的形成。但是这种方法没有从根本上解决二维材料易发生再堆叠的问题。Zhang等人(EnergyEnviron.Sci.,2014,7,3302–3306)以微结构的MnCO₃立方体作为模板合成了分级的MoS₂立方盒，将其作为锂离子电池的负极，电池的容量和循环性能较好，模板法的方法能够合成理想的形貌结构的MoS₂，但是反应流程过长也将限制其工业化。虽然目前的这些工作成功的对二维过渡金属硫化物三维组装，但是纳米片状结构并没有得到有序的控制，这种无序的结构对于其在电子和能源领域的应用中并不能保证高效的电子和物质运输。此外上述的方法普遍操作过程繁琐，成本较高且不易控制。因此，寻找一种简单快速的合成方法同时能够有效利用过渡金属二硫化物纳米片状结构的优势，同时能够对其组装过程的取向有效控制将对于提高锂离子电池负极性能具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高性能过渡金属二硫化物纳米片径向组装微球材料及其制备方法。

一方面，本发明提供一种高性能过渡金属二硫化物纳米片径向组装微球材料，所述材料是由纳米片状MX₂自组装成的三维MX₂微球，且纳米片沿径向方向进行组装，其中M为过渡金属元素，X为S、Se和Te中的至少一种。

本发明中，过渡金属二硫化物纳米片有序组装成三维微球，可以保证高效的电子和物质运输，组装后的球能够保证纳米片具有超薄的低层结构，且能够防止纳米片发生团聚和再重叠现象，保证二维结构的稳定性。