一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于储能材料技术领域，特别涉及一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

随着全球环境污染和能源短缺问题日益严重，高效的燃料电池与二次电池的开发利用已经迫在眉睫。锂离子电池因工作电压窗口大、比容量高、安全性好、无记忆效应、自放电小、无环境污染等优点而被认为是最能满足未来社会可持续发展要求的高性能电池之一。锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜四部分组成。负极材料作为其中的关键组分之一，在极大程度上影响着电池的综合性能。目前，商业化锂离子电池的负极材料较多使用的是石墨，但其理论比容量仅为372mA h g^-1。二硫化钼是一种具有类石墨层状结构的过渡金属硫化物，其层内共价键作用强，层间键相对较弱，因而非常有利于锂离子的嵌入和脱出，作为锂电池负极材料使用时的理论比容量高达670mA h g^-1，因而在锂电池负极材料领域具有很好的应用前景。但是，由于自身较高的表面能、层间范德华力相互作用及较差的导电性，纯MoS₂纳米粒子在充放电过程中极易发生严重的堆叠和团聚，阻碍电解液的有效传输，进而导致其比容量的急剧衰减，循环稳定性大幅下降。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料简单易得、安全可靠、结构新颖、性能优良，有望作为兼具高比容量及良好循环稳定性的锂离子电池负极材料得到应用。

本发明所提供的具有管套管结构的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，是由聚合物纳米纤维通过聚合物包覆、高温碳化的方法形成的形貌可控、稳定性好、比容量较大的锂离子电池负极材料。其制备原料组成包括：聚甲基丙烯酸甲酯、硫代钼酸铵、N,N-二甲基甲酰胺、吡咯单体、氯化铁、盐酸。

本发明所提供的具有管套管结构的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括通过静电纺丝方法制备聚甲基丙烯酸甲酯基纳米纤维；原位聚合方法在纤维表面包覆导电聚吡咯；高温还原及碳化方法(进一步通过管式炉高温碳化，将硫代钼酸铵还原为二硫化钼，聚甲基丙烯酸甲酯也同时被去除，得到内部为二硫化钼纤维、外部为氮掺杂碳纳米纤维壳的管套管结构复合纤维锂离子电池负极材料)制备二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料。

本发明的一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，所述复合材料为管套管结构，内部为二硫化钼纤维芯、外部为氮掺杂碳纳米纤维壳；二硫化钼纤维芯与氮掺杂碳纳米纤维壳之间有空隙。

所述二硫化钼纤维芯具有类石墨烯的片层结构。

本发明的一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括：

(1)将硫代钼酸铵[(NH₄)₂MoS₄]和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶于溶剂中，搅拌溶解，得到纺丝原液，静电纺丝，得到聚甲基丙烯酸甲酯/硫代钼酸铵纳米纤维；

(2)将步骤(1)中的纳米纤维在高温烘箱内烘干，进行表面处理，提高其亲水性；后浸入到吡咯/盐酸溶液中，在0℃逐滴滴加氯化铁/盐酸溶液催化剂，并置于0℃环境原位聚合12h，得到表面包覆一层导电聚吡咯的纤维，洗涤，干燥；

(3)将步骤(2)中干燥后的纤维在氩气/氢气混合气为保护气氛的条件下进行400-500℃高温还原，然后在氩气条件下进行800-1000℃高温碳化，得到二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料。

所述步骤(1)中溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；静电纺丝的条件为：电压为15-25kV，优选15kV；针头与接收板距离为15-25cm，优选15cm；推注速度为0.1mm/min。

所述步骤(1)中纺丝原液中硫代钼酸铵的浓度为0.03-0.06mg/mL；聚甲基丙烯酸甲酯的浓度为0.6-0.9mg/mL。

所述步骤(2)中烘干的温度60℃，表面处理的条件为：利用等离子清洗机进行表面处理，5-15min，优选10min。

所述烘干的温度为60℃。

所述步骤(2)中盐酸水溶液浓度为0.5-2M；吡咯/盐酸溶液中吡咯浓度为0.01-0.05M，氯化铁/盐酸溶液氯化铁浓度为0.01-0.05M。

所述步骤(2)中原位聚合的温度为0℃，聚合时间为12h。

所述步骤(3)中高温还原的温度为450℃，时间为120min；高温碳化的温度为800℃，时间为120min。

所述步骤(3)中还原过程的升温速度为2℃/min，保持120min，气氛体积组成为95％Ar和5％H₂混合气；碳化的升温速度为5℃/min，保持120min。

所述步骤(3)将硫代钼酸铵还原为二硫化钼，聚甲基丙烯酸甲酯也同时被去除，得到内部为二硫化钼纤维、外部为氮掺杂碳纳米纤维壳的管套管结构复合纤维锂离子电池负极材料。

本发明的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的应用，应用于兼具高比容量及良好循环稳定性的锂离子电池负极材料的制备。

本发明利用静电纺丝法制备的一维聚甲基丙烯酸甲酯基纳米纤维，纤维形貌均匀，操作简单。而且，一维纳米纤维具有较大的长径比和比表面积，能够为电化学反应提供广阔的空间；二硫化钼作为一种类石墨烯的层状过渡金属硫化物，具有稳定的二维片层结构，有利于锂离子的快速嵌入和脱出反应；利用静电纺丝、原位聚合和高温碳化相结合的方法巧妙地实现了内部为二硫化钼纳米纤维芯、外部为氮掺杂碳纳米纤维包覆层的管套管结构的可控构筑，实现了二硫化钼与氮掺杂碳纳米纤维的高效复合，使得两者的优势得以充分发挥，从而获得了兼具高比容量及良好的循环稳定性，具有优异性能的复合电极材料，可作为一种高效、安全的新型锂离子电池负极材料得到应用。

本发明的复合材料内部的二硫化钼纤维具有类石墨烯的片层结构，有利于锂离子的嵌入与脱出，可望作为一种高效的储锂材料；外层的氮掺杂碳纳米纤维中氮元素的孤对电子能够与碳原子晶格中存在的大π键之间发生共轭作用，因此可以大大增加电子的流动，提高碳材料的电化学性能及催化性能。此外，管套管结构中二硫化钼与碳层之间存在一定的空间，对二硫化钼在锂离子脱嵌过程中的体积变化起到缓冲作用，进而提高其比容量及循环稳定性。

本发明使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、电化学性能测试等表征所制备得到的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的形貌/结构及其电化学性能。

有益效果

(1)本发明的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料中二硫化钼纤维具有高比表面积和高储锂容量；氮掺杂碳纳米纤维具有良好的导电性和稳定性；而二硫化钼纤维芯与氮掺杂碳纳米纤维管之间的空隙则为二硫化钼在锂离子脱嵌过程中的体积膨胀和收缩提供了缓冲和保护作用，有利于提高复合电极材料整体的循环稳定性；

(2)本发明的制备方法过程简单，易于操作，快捷有效，得到的纤维复合材料中纤维形貌均匀。

附图说明

图1为实施例1中二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的SEM图；

图2为实施例1中二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的TEM图；

图3为实施例1中二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的XRD图；

图4为实施例1(1st)、实施例2(2nd)和实施例3(3rd)中二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的恒流充放电曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)将0.6g聚甲基丙烯酸甲酯及0.3g硫代钼酸铵加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中搅拌120min，均匀后，得到纺丝原液，备用；

(2)将(1)中纺丝原液加入到注射器中在电压为15kV、接收距离为15cm、推注速度为0.1mm/min的条件下进行静电纺丝，得到聚甲基丙烯酸甲酯/硫代钼酸铵纳米纤维；

(3)将所得到的纤维在60℃的烘箱内烘干，然后在等离子表面清洗机处理10min，得到亲水性较好的纤维；

(4)配制浓度为1M的盐酸水溶液，用该溶液配制0.03M的氯化铁盐酸溶液及0.03M的吡咯盐酸溶液各500mL，将0.25g纤维膜放入吡咯/盐酸溶液中浸泡60min；

(5)在0℃下，向吡咯盐酸溶液中逐滴滴加氯化铁盐酸溶液，过程为30min。将混合后的溶液在0℃下反应12h，得到表面包覆一层导电聚吡咯的纤维；

(6)将纤维膜在气氛为95％Ar和5％H₂的高温管式炉中烧结，温度为450℃，升温速度为2℃/min，保持120min；

(7)将纤维在Ar气氛下碳化，温度为800℃，升温速度为5℃/min，保持120min，得到二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，记为N-C/MoS₂-1。

本实施例的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的形貌图如图1和图2所示：经高温煅烧得到的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料保持了良好的纤维状结构，直径分布在300-400nm(图1)；二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料具有明显的管套管结构(如图2所示)：内部为二硫化钼纤维、外部为氮掺杂碳纳米纤维壳，两层之间有一定的空隙。这种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料有较大的比表面积，有利于锂离子在充放电过程中的快速嵌入与脱出。此外，氮掺杂碳纳米纤维包覆层在锂离子电池循环过程中能够有效维持所形成的固体电解质界面膜(SEI)膜的稳定性，提高材料的循环稳定性，减小容量损失。

本实施例的二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料的XRD图如3所示：热处理后的衍射峰属于单一六方晶系，位于2θ＝14.2°的衍射峰对应于二硫化钼(002)晶面，由谢乐公式计算出其层间距为0.65nm层间距，说明其具有很好的层状结构。此外，在2θ＝32.8°、39.5°、60.1°出现的衍射峰分别对应于二硫化钼的(100)、(103)、(110)晶面，表明硫代钼酸铵在高温处理后被成功还原为二硫化钼；复合材料的恒流充放电曲线如图4所示：具有较大的比容量和较高的库伦效率。

实施例2

(1)将0.6g聚甲基丙烯酸甲酯及0.6g硫代钼酸铵加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中搅拌120min，均匀后，得到纺丝原液，备用；

(2)将(1)中纺丝原液加入到注射器中在电压为15kV、接收距离为15cm、推注速度为0.1mm/min的条件下进行静电纺丝，得到聚甲基丙烯酸甲酯/硫代钼酸铵纳米纤维；

(3)将所得到的纤维在60℃的烘箱内烘干，然后在等离子表面清洗机处理10min，得到亲水性较好的纤维；

(4)配制浓度为1M的盐酸水溶液，用该溶液配制0.03M的氯化铁盐酸溶液及0.03M的吡咯盐酸溶液各500mL，将0.25g纤维膜放入吡咯/盐酸溶液中浸泡60min；

(5)在0℃下，向吡咯盐酸溶液中逐滴滴加氯化铁盐酸溶液，过程为30min。将混合后的溶液在0℃下反应12h，得到表面包覆一层导电聚吡咯的纤维；

(6)将纤维膜在气氛为95％Ar和5％H₂的高温管式炉中烧结，温度为450℃，升温速度为2℃/min，保持120min；

(7)将纤维在Ar气氛下碳化，温度为800℃，升温速度为5℃/min，保持120min，得到二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，记为N-C/MoS₂-2；恒流充放电曲线如图4所示。

实施例3

(1)将0.6g聚甲基丙烯酸甲酯及0.3g硫代钼酸铵加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中搅拌120min，均匀后，得到纺丝原液，备用；

(2)将(1)中纺丝原液加入到注射器中在电压为15kV、接收距离为15cm、推注速度为0.1mm/min的条件下进行静电纺丝，得到聚甲基丙烯酸甲酯/硫代钼酸铵纳米纤维；

(3)将所得到的纤维在60℃的烘箱内烘干，然后在等离子表面清洗机处理10min，得到亲水性较好的纤维；

(4)配制浓度为1M的盐酸水溶液，用该溶液配制0.05M的氯化铁盐酸溶液及0.05M的吡咯盐酸溶液各500mL，将0.25g纤维膜放入吡咯/盐酸溶液中浸泡60min；

(5)在0℃下，向吡咯盐酸溶液中逐滴滴加氯化铁盐酸溶液，过程为30min。将混合后的溶液在0℃下反应12h，得到表面包覆一层导电聚吡咯的纤维；

(6)将纤维膜在气氛为95％Ar和5％H₂的高温管式炉中烧结，温度为450℃，升温速度为2℃/min，保持120min；

(7)将纤维在Ar气氛下碳化，温度为800℃，升温速度为5℃/min，保持120min，得到二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料，记为N-C/MoS₂-3；恒流充放电曲线如图4所示。