[发明专利]原位生长花瓣状二硫化钼的空心介孔碳球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料生产技术领域，具体涉及空心介孔碳球中原位生长花瓣状二硫化钼合成蛋黄-蛋壳结构MoS₂@C纳米球的方法。

背景技术

在过渡金属硫化物中，层状二硫化钼（MoS₂）是一种类石墨结构材料，具有独特的三明治型层状结构，Mo 原子层夹在两层 S 原子之间，层间的共价原子是以弱的范德华力相结合，原子层间的空隙可以容许外来反应物进行嵌入反应，作为锂离子电池负极理论容量大。广泛应用于固体润滑材料、催化、储氢材料、锂离子电极材料等方面。由于纳米结构的特性依赖于其大小、形状、晶体结构和分散性，到目前为止已经有许多不同的形貌的二硫化钼合成，有无机富勒烯和纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带、纳米片、纳米球、纳米花以及纳米立方体。二硫化钼二维纳米片有比零维和一维更多的活性位点，能展现出比其他结构更多的有效表面。同时二维结构还有重量小，表面积大，分布均匀等特点与电池存储的需求相匹配。二维结构满足了快速锂存储需要的稳定性，高效表面积以及锂离子脱嵌需要的较短的开放路径。

碳材料种类多（碳纳米管、石墨烯、空心碳球等）、来源广、廉价、导电性好，适合作电极材料。其中介孔碳材料具有高比表面积和开放的孔道结构，可以促进电解质离子的传输，并且可以提供巨大的反应界面，使锂离子存储的活化点增加，可以作为锂离子电池负极材料。介孔碳复合物材料能够防止活性物质在充放电过程中的聚集现象，渗透互通的网络结构能够减少锂离子在嵌入/脱出过程中引起的体积膨胀，作为锂电池负极容量明显高于传统的石墨材料，并且具有稳定性良好等优势。特别是在大电流充放电情况下，大的介孔孔径有利于电解质离子的快速迁移，可以明显提高电极材料性能的稳定性。此外，由于介孔碳材料稳定的结构以及良好的导电性，可提供快速的电子传输路径，且防止活性组分的聚集，从而保证了活性组分的稳定，因此材料的循环稳定性可以得到明显改善。

但由于二硫化钼是多层堆叠的结构，锂离子的嵌入会引起体积或结构的变化，同时二硫化钼是半导体导电性差。目前，通过合成具有特殊结构的二硫化钼纳米复合材料来提高其电化学性已成为本领域的热门话题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提出一种可作为锂离子电池电极材料、光催化材料或电催化材料的原位生长花瓣状二硫化钼的空心介孔碳球的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）磁力搅拌下，先将乙醇、去离子水和氨水混合后，再加入正硅酸乙酯，再混合后，再加入间苯二酚和甲醛进行反应；

反应结束后离心洗涤，取得固相干燥，然后在氩气气氛保护下高温煅烧，再将高温煅烧后的产物经氢氧化钠水溶液刻蚀，最后将刻蚀后的产物离心洗涤，并将得到的固相干燥，即得空心介孔碳纳米球。

本发明以间苯二酚和甲醛为碳源，以正硅酸乙酯为硅源从而形成二氧化硅@二氧化硅/间苯二酚-甲醛低聚物纳米微球，高温煅烧后刻蚀得到粒径均一，结构稳定的空心介孔碳纳米球，为后续工艺提供了良好的模板和反应器。

2）超声条件下将二水钼酸钠和硫脲溶于去离子水中，然后加入空心介孔碳纳米球，再经超声分散后进行水热反应；

待水热反应结束后离心洗涤，取得固相干燥后在氩气气氛保护下高温煅烧，即得原位生长花瓣状二硫化钼的空心介孔碳球。

本发明使用空心介孔碳纳米球为纳米反应器，硫化钼在其中原位生长。花瓣状二硫化钼在介孔空心碳球内部生长，外层为介孔碳层，保留完整的介孔结构，二硫化钼与碳层之间存在纳米空隙。

本发明以上方法制得的三维纳米空心介孔碳纳米球表现出非常高的比表面积和均匀的孔隙率以及良好的导电性，利于锂离子及电子的快速运输。通过将二硫化钼纳米片生长到空心介孔碳纳米球的空腔中对于増加二硫化钼的活性位点及减少堆积从而提高其电化性能将是一种很好的方法，缩短了锂离子的扩散路径。多孔的碳壳不仅提高了复合材料的导电性，碳壳上的多孔结构也为锂离子的扩散提供了通道。此外，二硫化钼纳米片在碳球内部可防止其充放电过程中结构的脱落，内部的空间也可以缓冲嵌/脱锂过程中的体积效应，利于循环过程中结构的稳定，从而使材料拥有好的倍率性能及循环稳定性能，使得活性材料在大电流、长循环中得到有效保护。因此，采用本发明方法制得的原位生长花瓣状二硫化钼的空心介孔碳球是一种及具有应用前景的锂离子负极材料。

总之，本发明工艺原料廉价、工艺简单环保、产量大、性能优异的特点，制得的原位生长花瓣状二硫化钼的空心介孔碳球可作为锂离子电池电极材料、光催化材料或电催化材料的应用。