一种Fe3O4/WS2纳米复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种Fe₃O₄/WS₂的纳米复合材料及其制备方法，其中Fe₃O₄为纳米粒子(Fe₃O₄NPs)，WS₂为纳米片，通过一步法自组装制备出Fe₃O₄NPs/WS₂的功能复合材料；该材料具有良好的电化学性能，制备工艺简单、绿色环保，作为新型能源材料在超级电容器、锂电池等电子设备领域具有很大的应用前景。

背景技术：

随着现代通讯设备以及电子产业的不断发展，超级电容器的蓄电能力和循环次数的要求越来越高，而提高超级电容器各项性能指标的关键在于改良超级电容器的电极材料，因此近些年来超级电容器的电极材料得到了广泛关注。

继石墨烯在超级电容和锂电池的运用中良好性能的发现后，更多种类的石墨烯类二维层状材料(2D Materials)被广大学者研究和运用。其中具有“三明治”结构的过渡金属硫化物MX₂(X-M-X)，已经成为极具潜力的候选材料之一。由于具有相似的晶格对称结构和电子能带，过渡金属硫化物在性能上也具有很多共性。它们的分子间由较弱的范德华力堆叠在一起，当通过物理剥离法制备成单层纳米片时，所得的二维材料具有极大的比表面积、很强的柔韧性和化学稳定性。WS₂纳米片作为典型的二维过渡金属硫化物，具有优异的载流子迁移率和热稳定性，在光催化、电极材料、生物传感等领域得到广泛运用。

金属氧化物具有较高的理论电容、丰富的资源和低廉的成本，受到了很大关注。由于小尺寸效应的作用，金属氧化物纳米颗粒作为超级电容器电极材料可以提供更多的电化学活性位点。然而，在充放电过程中，其本身的体积变化会导致较差的循环寿命和较低的电导率。当纳米颗粒发生团聚时，将严重影响其优异性能。

近年来WS₂纳米片在电化学领域应用受到了广泛关注。纯WS₂的理论电容和电导率较低，单独作为电极材料时，电子传递速率较差。通过与小尺寸的Fe₃O₄纳米颗粒复合，可以提高其理论电容和电导率，形成零维/二维(0D/2D)纳米复合材料，表现出优良的电化学性能。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种具有稳定的0D/2D复合形貌，并能提高WS₂单体低比电容和Fe₃O₄稳定性的Fe₃O₄NPs/WS₂复合材料。这是一种结构稳定并具有良好电化学性能的功能复合材料。

本发明中的Fe₃O₄NPs/WS₂复合材料具有稳定、均匀的微观形貌，Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散在WS₂纳米片表面，颗粒大小均匀，直径为3nm。如图1所示。

本发明中的Fe₃O₄NPs/WS₂复合材料具有良好的电化学性能，在WS₂纳米片的基础上有显著的提升；在测试电压范围0.0～0.6V，扫描速度为20到100mV/s的CV循环测试中，Fe₃O₄NPs/WS₂功能复合材料表现出优良的电化学性能，在100mV/s的扫描速度下达到20.26F/g的比电容值，较纯WS₂纳米片有显著的提高(纯WS2纳米片的比电容值为2.07F/g)，如图2所示。

实现本发明所采用的技术方案为：一种Fe₃O₄NPs/WS₂功能复合材料，通过一步自组装法制得，具有工艺简单、成本低廉、绿色无污染等优点，所得Fe₃O₄NPs均匀分布在二维层状WS₂纳米片表面，并且表现出优良的电化学性能，制备步骤如下：

(1)称取WS₂粉末置于装有十二烷基硫酸钠溶液的球磨罐中进行球磨，所得混合悬浮液洗涤、离心、烘干，得到WS₂纳米片。

进一步地，WS₂与十二烷基硫酸钠溶液的质量体积比为：3g：200mL，十二烷基硫酸钠溶液的质量百分浓度为0.05％。

进一步地，球磨转速为250rpm，球磨时间为10h。

进一步地，洗涤指依次用去离子水与酒精洗涤；离心速率为8000rpm，离心时间为15min。

(2)称取WS₂纳米片加入到去离子水中超声使WS₂纳米片均匀分散；加入FeCl₃·6H₂O和L-抗坏血酸，在室温下磁力搅拌均匀，再加入NaHCO₃，继续搅拌；所得混合物转移至反应釜中，在150℃下反应6h，使纳米颗粒反应完全并与WS₂纳米片充分自组装，反应结束后取出冷却至室温，用去离子水洗涤离心，并在真空干燥箱中干燥。

进一步地，WS₂纳米片、去离子水、FeCl₃·6H₂O、L-抗坏血酸、NaHCO₃的质量比为3∶30∶0.7095∶0.088∶0.6616。

进一步地，超声时间为2h；磁力搅拌时间为1h；继续搅拌时间为20min。

所得样品用吸铁石测试有磁性，说明了Fe₃O₄与WS₂复合。

附图说明

图1为Fe₃O₄NPs/WS₂复合材料的透射电镜图。

图2为Fe₃O₄NPs/WS₂复合材料在不同扫描速率下的CV曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方案是一种工艺简单、成本低廉、绿色环保的一步自组装法，通过水热法制备出Fe₃O₄NPs/WS₂复合材料，具有0D/2D的复合形貌特征，提高材料的比电容和稳定性。

本发明中的Fe₃O₄NPs/WS₂功能复合材料，具有良好的电化学性能。在测试电压范围0～0.6V，扫描速度为20到100mV/s的CV循环测试中，Fe₃O₄NPs/WS₂功能复合材料表现出优良的电化学性能，在100mV/s的扫描速度下达到20.26F/g的比电容。

本发明设计优良电化学性能Fe₃O₄NPs/WS₂功能复合材料的制备方法，实例包括以下步骤：

(1)称取3g WS₂粉末放入球磨罐中，加入200mL十二烷基硫酸钠(SDS)溶液(0.05％)，在250rpm转速下球磨10h，将混合悬浮液用去离子水与酒精洗涤，离心速率为8000rpm，离心时间为15min。在真空干燥箱中烘干，得到WS₂纳米片。

(2)按比例称取上述所得WS₂纳米片在30mL去离子水中进一步超声2h使之均匀分散。加入0.7095g FeCl₃·6H₂O和0.088g L-抗坏血酸，持续磁力搅拌搅拌1h，再加入0.6616g NaHCO₃，搅拌20min，转移至150mL反应釜中，在150℃下反应6h，使纳米颗粒反应完全并与WS₂纳米片充分自组装。反应结束后取出冷却至室温，用去离子水洗涤离心，并在真空干燥箱中干燥。