[发明专利]一种过渡金属硫系化合物及其制备方法、用途及储能器件

说明书

本发明公开了一种过渡金属硫系化合物及其制备方法、用途及储能器件，其中，该过渡金属硫系化合物的化学式表示为M_aY_2a‑2；步骤包括：将原料在一定温度下与硫系氢化物反应得到；所述原料选自于MAX相材料、MXene材料或过渡金属硫系化合物MY₂中的至少一种；其中，所述M代表过渡金属元素；所述Y代表硫、硒或碲元素中的一种，3≤a≤5。本发明为2D非范德华过渡金属硫化物的制备提供一种新的技术路径，并获得了一类新型结构的过渡金属硫系化合物材料，其具有二维超薄特征、高度暴露的表面、高导电性和独特的空位结构，基于该些结构特征，本发明还提供了将其作为离子存储的用途，可以作为电池或超级电容器的电极材料。

技术领域

本发明是属于新材料和电池领域，特别是关于一种过渡金属硫系化合物及其制备方法、用途及储能器件。

背景技术

石墨烯、六方氮化硼(h-BN)和过渡金属硫系化合物(TMC)等二维纳米晶体因其具有极高的各向异性而引起广泛关注。特别是，2D TMC具有多种化学功能，由过渡金属(M＝V、Nb、Ta、Mo、W等)和硫族元素(X＝S、Se、Te)组成，显示出从半导体到半金属和金属的可调电特性，在电子、光电子、能量储存和转换领域具有巨大的前景。目前，研究最广泛的2D TMC纳米晶体通常是范德华(vdW)层，如MoS₂和WS₂，可以通过机械、液相和电化学剥离分层对应物，基于自上而下的方法轻松制备。在剥离过程中，层间范德华力较弱的块状层状 TMC化合物可通过外力作用(如粘附力、剪切力和超声波作用)被切割，从而形成单层和少量2D TMC纳米晶体。与范德华TMC层相比，2D非范德华TMC 更难制备，因为这些化合物存在于三维键合网络中，而不存在层间范德华力，使得它们难以通过常见的剥离方法进行切割，并极大地阻碍了它们的进一步发展和广泛应用。

非范德华TMC可以存在于各种晶体结构中，例如立方黄铁矿和NiAs型结构，这些结构由金属原子组成，周围有六个八面体构型的硫原子。这些独特的结构特征具有各向异性的面内和面外键合，与特定过渡金属的可调谐d轨道电子相关，使得非范德华TMC纳米晶体具有良好的电性能。例如，非范德华钒硫化物，如V₅S₈，由VS₂层组成，在VS₆八面体配位中嵌入V原子，分别为嵌入的V原子和其他V原子具有局域和流动的3d电子，从而使其具有约500Scm^-1的高导电性的金属性质。更引人注目的是，通过将大量非范德华TMC隔离到2D极限，充分暴露的金属、丰富的悬挂键和不饱和配位正在出现，这一特点在2D范德华 TMC中不存在，2D非范德华TMC可以提供许多电化学活性位点。不幸的是，迄今为止，由于二维非范德华TMC纳米晶体的三维键合结构，其制备仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明针对2D非范德华过渡金属硫系化合物难以制备得到的技术难题，本发明第一方面，提供一种过渡金属硫系化合物的制备方法，该过渡金属硫系化合物的化学式表示为M_aY_2a-2；步骤包括：将原料在一定温度下与硫系氢化物反应得到；该原料选自于MAX相材料、MXene材料或过渡金属硫系化合物MY₂中的至少一种；其中，化学式中的M代表过渡金属元素；Y代表硫、硒或碲元素中的一种，3≤a≤5。

在一些实施例中，上述原料中的MAX相材料的化学式表示为M₂AX，其中， M代表过渡金属元素，A代表铝、镓、铟、铅、硅、锗、锡元素中的至少一种， X代表碳和/或氮元素。

在一些实施例中，上述原料中的MXene材料的化学式表示为M₂XT_x，其中， M代表过渡金属元素，X代表碳和/或氮元素，T_x代表官能团。

在一些实施例中，上述过渡金属硫系化合物的化学式为M₃Y₄或M₅Y₈。