[发明专利]一种硫化钼/石墨烯‑石墨烯纳米带气凝胶复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于过渡金属硫族化合物-碳纳米材料领域，特别涉及一种硫化钼/石墨烯-石墨烯纳米带气凝胶复合材料的制备方法。

背景技术

碳气凝胶为典型的三维网络结构，具有低密度、高孔隙率、比表面积大、孔结构可调节及稳定性好、导电性高等特点，被广泛用作吸附材料、催化剂载体及各种电极活性材料的基底等，是未来最具潜力的新材料之一。按基体来源来分，碳气凝胶一般可分为有机物基碳气凝胶、石墨烯或碳纳米管基碳气凝胶和生物质基碳气凝胶。

石墨烯是由sp2碳原子经六方排列而成的单片层的石墨，拥有着较高的内部载流子迁移率(200000cm2V-1s-1)，良好的热导率(～5000W m-1K-1)，高透光率(～97.7％)和理论比表面积(2630m2g-1)以及优异的力学强度。石墨烯纳米带是作为准一维碳基纳米材料，同样秉承了碳纳米材料优异的物理化学性能，如良好的化学稳定性、优异的力学性能和较高的导电性等。

此外，相比于石墨烯和碳纳米管，石墨烯纳米带大的长宽比和特殊的边缘效应使得其性质更加地灵活可调。因此，这些特殊性质赋予两者在能量转换与储存、场效应晶体管、电子传感器、电化学催化和高分子纳米复合材料等诸多领域都具有极为广阔的应用前景。本专利通过自组装技术，以石墨烯和石墨烯纳米带作为搭建模块，形成具有高比表面积的三维网络结构，既有效地抑制了石墨烯片层和石墨烯纳米带之间的相互堆叠，又有利于电子的传输和离子的迁移。

硫化钼是一类最为典型的过渡金属硫族化合物，呈现层状结构，层内为S-Mo-S三明治状夹层排列，层间由较弱的范德华力相互连接。硫化钼由于其来源丰富和高的活性，使其在催化析氢、锂离子电池等领域有广泛的应用，但是纯的硫化钼极其容易形成团聚，使得电化学活性位点无法得到充分暴露，严重抑制了其催化特性和能量存储性能。因此，将硫化钼原位生长在具有高的比表面积的碳气凝胶纳米材料上具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硫化钼/石墨烯-石墨烯纳米带气凝胶复合材料的制备方法，该方法操作简单，制备得到的硫化钼/石墨烯-石墨烯纳米带气凝胶复合材料电化学性能优异。

本发明的制备原料包括：其制备原料包括：石墨、高锰酸钾(Hummers法)、多壁碳纳米管(用氧化法径向剪开碳纳米管可以得到石墨烯纳米带)、N,N-二甲基甲酰胺、浓硫酸、硫代钼酸铵等。

本发明的一种硫化钼/石墨烯-石墨烯纳米带气凝胶复合材料的制备方法，包括：

(1)将氧化石墨烯分散在去离子水中，超声，得到氧化石墨烯分散液；

(2)将氧化石墨烯纳米带分散液滴加到步骤(1)中的氧化石墨烯分散液中，搅拌，得到混合液；

(3)将步骤(2)中的混合液进行液氮冷冻得到固体，再冷冻干燥，得到石墨烯-石墨烯纳米带凝胶的前驱体；

(4)将硫代钼酸铵加入到溶剂中，超声，得到硫代钼酸铵溶液；

(5)将步骤(3)中的石墨烯-石墨烯纳米带凝胶的前驱体加入到步骤(4)中的硫代钼酸铵溶液中，静置，进行溶剂热反应，得到硫化钼/石墨烯-石墨烯纳米带气凝胶复合材料。

所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液的浓度为1-6mg/mL；氧化石墨烯由Hummers方法制备。

所述步骤(2)中的氧化石墨烯纳米带分散液的浓度为2-8mg/mL；分散液的溶剂为水。

所述氧化石墨烯纳米带的制备方法参考：专利US 2010/0105834Al；所述的石墨烯纳米带是通过对多壁碳纳米管径向剪开和剥离制备得到。

所述步骤(2)中混合液的制备过程中：氧化石墨烯和氧化石墨烯纳米带的质量比为4:1～1:4。

所述步骤(3)中冷冻干燥的时间为12～48h；优选24-30h。

所述步骤(4)中硫代钼酸铵溶液的浓度为0.5～12mg/ml，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

所述步骤(5)中石墨烯-石墨烯纳米带凝胶的前驱体与硫代钼酸铵的质量比例为1/4～1/1。

所述步骤(5)中静置的时间为5～8h。

所述步骤(5)中溶剂热反应条件为：反应温度为160-220℃，反应时间为8-16h。

所述步骤(5)中硫化钼/石墨烯-石墨烯纳米带气凝胶复合材料应用于高性能吸附材料、电化学催化材料、锂离子电池或超级电容器的制备。

所述步骤(5)的溶剂热反应实现了生成硫化钼与氧化石墨烯还原形成并凝胶化的同步进行，这是本专利申请的核心创新点。