本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料、制备方法及其应用，具体为MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料、制备方法及其应用。
背景技术：
目前锂离子电池的快速发展，也引发了人们探究新型电极材料来提高电池性能。而作为研究热点的过渡金属硫化物由于独特的层状结构而备受关注，作为代表的则为二硫化钼，其片层结构类似于石墨烯，而其优异的结构也成为二维材料中的佼佼者，已被成功应用在锂离子电池、超级电容器、电催化、电传感。
然而二硫化钼具有三种相态，分别为半导体相(2H)和金属相(1T和3R)，金属相的电导率比半导体相大几个数量级，极大地导电性也增加了人们的兴趣。然而这种金属相的二硫化钼属于亚稳态，在合成的过程中不稳定。根据调研，大多数合成的二硫化钼均为半导体相，这也在某种程度上限定了二硫化钼的电化学性能。目前大多数的解决方案是将半导体相的二硫化钼和碳材料复合，比如和石墨烯、碳纳米管、碳纤维等碳材料进行复合来增加复合材料的导电性，这种方法在一定程度上优化了半导体相的电化学性质。然而这种方法通常会出现二种材料的不兼容和不匹配问题而增加了锂离子和二硫化钼反应的电阻，而且和碳材料复合的同时也增加了电解质的消耗，增大了成本。在目前的研究中如何解决这个问题任然是个很大的挑战。
而同样属于第六主族的硒近来也备受大家的关注，同样具有层状结构的过渡金属硒化物也具有独特的电化学性能，其导电性优于过渡金属硫化物，代表物二硒化钼。然而巨大的体积效应和结构的不稳定性极大地限制了二硒化钼的应用。探究硫硒化钼的合理结合是快速提高材料性能的一种捷径。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料及其制备方法，具体为外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料及其制备方法，采用刻蚀法制备，以纳米带状的三氧化钼为前驱体，用硫和硒同时在其表面刻蚀而形成外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，并在保证分级结构的完整性的前提下调整硫和硒的比例，来优化结构的稳定性和导电性，且具有很大的比表面积，有很好的储锂性能。
本发明的另一目的在于提供一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料在锂离子电池上的应用。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供的一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将钼酸钠溶解于二次蒸馏水中并加入盐酸溶液，得混合溶液，将混合溶液转移至高温反应釜中，水热反应，结束后，自然冷却至室温，之后，通过离心，收集产物，洗涤、真空干燥，即可得纳米带状的三氧化钼前驱体；
S2：将步骤S1合成的纳米带状三氧化钼加入到二次蒸馏水中搅拌至溶液均匀，再加入盐酸溶液、硫脲、二氧化硒和硼氢化钠，搅拌，再将所得混合溶液转移至高温反应釜中，水热反应，结束后，自然冷却至室温，之后，通过离心，收集产物，洗涤、真空干燥，得外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料。
进一步的，步骤S1中所述水热反应是指180℃水热反应12-24h；
步骤S1中钼酸钠和盐酸溶液中HCl的摩尔比为1:2-3。
步骤S1中钼酸钠在混合溶液中的浓度≥0.2mol L-1，HCl在混合溶液中的浓度0.4-0.6mol L-1，所用二次蒸馏水的体积≥70mL。
步骤S2中所述水热反应是指180℃-200℃水热反应15-24h。
步骤S2中三氧化钼、硫脲、二化硒、硼氢化钠和盐酸中HCl的摩尔比1:1.9-1.5:0.1-0.5:4:10。
步骤S2三氧化钼在混合溶液中的浓度≥0.04mol L-1，硫脲在混合溶液中的的浓度为≥0.06mol L-1，二氧化硒在混合溶液中的的浓度为≥0.02mol L-1，硼氢化钠在混合溶液中的的浓度为≥0.16mol L-1mol L-1，HCl在混合溶液中的的浓度≥0.4mol L-1，二次蒸馏水的体积≥70mL。
步骤S2中所得产物为得外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，x＝0.05-0.25。
制备过程中所用的盐酸溶液为分析纯，质量分数为36-38％。
本发明提供的一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料，采用上述方法制备得到。以纳米带状的三氧化钼为前驱体，用硫和硒同时在其表面刻蚀而形成外延生长的X＝0.25的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料。
本发明提供的一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料在锂离子电池上的应用。具体作为负极材料应用于锂离子电池。
具体为：电极材料的制备：工作电极的浆料制备是按照质量比8:1:1混合上述制备的X＝0.25的MoS2(1-x)Se2x、CNT和PVDF，浆料搅拌12h，即得。涂覆在铜箔上，放入80℃的烘箱中干燥12h。用锂片做对电极和参比电极，1.0M的LiPF6溶液混合体积比为1:1的EC：DMC的溶液作为电解质溶液，在氩气保护下将材料在手套箱中组装成纽扣电池。通过电池测试系统LAND CT-4008来测量电池的电化学性能。
本发明制备的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料作为负极材料应用于锂离子电池，不仅导电性高，有利于电子的快速传输，提高电池的倍率性能；具有很大的比表面积，有利于电解液对电极材料的浸润，使锂离子更多的在活性物质上脱嵌，提高锂离子电池的容量；而且结构稳定，保证锂离子在充放电过程中快速移动，提高锂离子电池的循环稳定性。
本发明提供一种可控的刻蚀法制备的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，是在密闭的高温高压反应釜中，采用二次蒸馏水作为反应溶剂，加入钼酸钠、盐酸，通过加热反应体系，产生一个高温高压的环境而制备纳米带状的三氧化钼前驱体，随后，采用二次蒸馏水作为反应溶剂，纳米带状的三氧化钼、硫脲、盐酸、二氧化硒、硼氢化钠，通过加热反应体系，产生一个高温高压的环境而制备的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料。反应过程中盐酸的作用，(1)在合成三氧化钼前驱体中(S1)，盐酸的有两个作用，第一和钼酸钠反应形成钼酸，钼酸在高温高压下分解形成纳米带状三氧化钼前驱体；第二可以让溶液保持酸性环境，有利于纳米带状的三氧化钼在溶液中保持稳定。(2)在合成MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料时(S2)，盐酸起到保持溶液酸性环境的作用，让三氧化钼保持纳米带状的形貌下进行硫离子和硒离子的刻蚀，这样才能保持复合材料形貌的稳定性和均一性。而反应过程中硫脲起到两个作用，第一起还原剂的作用，硫脲在溶液中产生的负二价的硫离子可以将三氧化钼中正六价的的钼离子还原成正四价的钼离子(比较快)；第二起刻蚀剂的作用，由于二硫化钼的溶度积常数Ksp比较小，正四价的钼离子在高温高压下更容易和负二价的硫离子形成二硫化钼。反应中二氧化硒的作用提供硒源，而硼氢化钠的作用就是将二氧化硒中正四价的硒离子还原为负二价的硒离子，使负二价的硒离子和负二价的硫离子同时刻蚀纳米带状的三氧化钼，而负二价的硒离子替换负二价的氧离子后形成的二硒化钼溶度积常数Ksp比二硫化钼的Ksp更小，因为负二价的硒离子半径比负二价的硫离子还要大，因此需要严格调控硫和硒的比例来保持结构的完整性和稳定性是最大挑战。整个过程就是三氧化钼先转化为二氧化钼(反应比较快)，然后负二价的硫离子和负二价的硒离子在二氧化钼表面刻蚀形成MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料(比较缓慢)，由于负二价的硫离子和负二价硒离子比负二价的氧离子半径大，因此形成外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，再调节硫源和硒源的比例，使结构保持分级结构的前提下不断增加硒的比例，但硒的比例一旦到达一定程度，分级结构就不能保持，而是形成零维的纳米颗粒，从而大大降低了复合材料的结构稳定性，减少了复合材料比表面积和活性位点，而使大大降低电化学储能的性能。因此，控制X＝0.05-0.25,形成稳定的MoS2(1-x)Se2x分级结构。
本发明提供的制备方法不同于以前报道的CVD的方法，该方法不仅可控而且不需要高温、高压和一些危险气体，也不需要添加表面活性剂和一些复杂的过程。而本实验合成外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料比先前方法合成的电极材料具有以下优势：一维纳米带结构的三氧化钼在刻蚀过程中起到模板和骨架的作用，而合成过程中最大程度的保留有一维结构的特点，可以为电子传输提供良好的导电途径及为锂离子扩散提供短的距离；而合成的过程中硒的掺入大大提高了复合材料的导电性且一定程度上保持结构稳定；硫硒共刻蚀后的三氧化钼形成中空、多孔结构有利于缓解材料的脱嵌过程中的体积变化,提高其作为锂离子电池负极材料的循环性能；外延结构的复合材料可以提高活性物质的比表面积，有利于活性物质与电解液的接触，提高锂离子电池容量。
与现有技术相比，本发明制备方法得到的产物导电性高、结构稳定、纯度高、分散性好、且可控制，生产成本低，重现性好，合成过程对环境无污染。通过控制原料用量和浓度及反应的温度和时间，形成稳定均匀的形貌结构。所制备出的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料作为锂离子电池负极材料，不仅导电性高具结构稳定，有利于提高锂离子电池的倍率性能和循环稳定性；外延生长的复合材料有很大的比表面积，有利于电解液对电极材料的浸润，使锂离子更多的在活性物质上脱嵌，提高锂离子电池的容量。分级结构在很大程度上抑制了材料的堆叠和团聚，在锂离子充放电过程中最大程度的提高活性物质的利用率，在储能方面具有很大潜在的应用价值。
附图说明
图1为实施例1中步骤S1制备的MoO3前驱体材料的扫描电子显微镜照片(SEM)；
图2为实施例1中步骤S2制备的X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x的扫描电子显微镜照片(SEM)；
图3为实施例1中制备的X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x的X射线衍射图(XRD)；
图4为实施例1中制备的X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x的选区电子衍射图片照片(SAED)；
图5为实施例1中制备的X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x的能量色散谱(EDS)；
图6为实施例1中制备的X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x的X射线光电子能谱分析(XPS)；
图7为实施例1中制备的MoO3、MoS2、X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x的作为锂离子电池负极材料的交流阻抗谱图；
图8为实施例1中制备的X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x的作为锂离子电池负极材料的倍率性能图；
图9为实施例1中制备的X＝0.25的MoS2(1-X)Se2x作为锂离子电池负极材料的循环性能图；
图10为实施例1、2、3、4、5中制备的不同比例的MoS2(1-X)Se2x扫描电子显微镜照片(SEM)。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。
实施例1
一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将钼酸钠溶解于二次蒸馏水中并加入质量浓度36％的盐酸，搅拌30分钟，混匀后，得到混合溶液，混合溶液中钼酸钠浓度0.2M，HCl浓度0.4M；将混合溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯的高温反应釜中，于180℃水热反应12h，取出反应釜自然冷却至室温，之后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，可得纳米带状的三氧化钼前驱体，其SEM图如图1所示，从图中可以看出该方法合成的三氧化钼为纳米带状且结构均一。
S2：将S1合成的纳米带状三氧化钼加入到70mL二次蒸馏水中搅拌至溶液均匀，再加入质量浓度36％的盐酸和硫脲、二氧化硒和硼氢化钠，搅拌1h，得混合溶液，混合溶液中纳米带状三氧化钼浓度0.04M，HCl浓度0.4M，硫脲浓度0.06M，二氧化硒的浓度0.02M，硼氢化钠的浓度为0.16M；将混合溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应24小时，冷却后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料。其SEM图如图2所示，能看出为合成材料为分级结构，保留一维骨架结构的前提下表面外延生长二维片层结构，且形貌均一。从XRD(如图3)、SAED(如图4)可以看出合成的材料为硫硒化钼的复合结构，且结晶性很好。
而通过的EDS(如图5)、XPS(如图6)都分别证明了合成的材料为X＝0.25的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，合理的调控和优化复合材料的结构达到结构稳定性最高，避免复合材料的团聚和堆叠，提高复合材料的导电性，提供优异的电化学性能。
一种可控的外延生长的分级结构的纳米复合材料采用上述方法制备得到。
上述制备的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料作为负极材料在锂离子电池方面的应用：
电极材料的制备：工作电极的浆料制备是按照质量比8:1:1混合上述制备的X＝0.25的MoS2(1-x)Se2x、CNT和PVDF，浆料搅拌12h，即得。涂覆在铜箔上，放入80℃的烘箱中干燥12h。用锂片做对电极和参比电极，1.0M的LiPF6溶液混合体积比为1:1的EC：DMC的溶液作为电解质溶液，在氩气保护下将材料在手套箱中组装成纽扣电池。通过电池测试系统LAND CT-4008来测量电池的电化学性能。
电池性能的测试：阻抗图(如图7所示)的测试通过电化学工作站(CHI760)测得，通过交流阻抗图谱(图7)可以看出X＝0.25的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料的阻抗比前驱体三氧化钼、二硫化钼更小，说明复合材料的导电性能得到提升。而通过电池测试系统测得的电池的倍率性能图(如图8所示)、循环性能图(如图9所示)。通过倍率性能图(图8)可以看出，在不同倍率下电池的性能都很稳定，且在10C(1C＝670mAh/g)的电流密度下任然保持有400mAh/g左右的容量，而重新回到电流密度为0.1C时，容量还能回到1000mAh/g左右，证明了材料的结构稳定性和优异的倍率性能。通过循环性能图(图9)电池在电流密度为1C(循环50圈)、2C(循环100圈)、5C(循环350圈)容量还能保持稳定，且库伦效率都接近100％，从而证明X＝0.25的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料作为负极材料优异的电池性能，在很高的电流密度下依然可以保持很高的容量和很好的循环稳定性，这将很好满足电子器件对电池的要求，而这种复合结构也将具有很大的应用前景。
实施例2
一种可控的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料方法，包括以下步骤：
S1：将钼酸钠溶解于二次蒸馏水中并加入质量浓度36％的盐酸，搅拌30分钟，混匀后，得到混合溶液，混合溶液中钼酸钠浓度0.2M，HCl浓度0.4M；将所得混合溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应12h，取出反应釜自然冷却至室温，之后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到纳米带状的三氧化钼前驱体。
S2：将S1合成的纳米带状三氧化钼加入到70mL二次蒸馏水中搅拌至溶液均匀，再加入质量浓度36％的盐酸和硫脲、二氧化硒、硼氢化钠，搅拌1h，得混合溶液，其中纳米带状三氧化钼浓度0.04M，HCl浓度0.4M，硫脲浓度0.076M，二氧化硒的浓度0.004M，硼氢化钠的浓度为0.16M；再将溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应24小时，冷却后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到X＝0.05的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，如图10所示，为均匀的外延生长的分级结构。
实施例3
一种可控的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料方法，包括以下步骤：
S1：将钼酸钠溶解于二次蒸馏水中并加入质量浓度36％的盐酸，搅拌30分钟，混匀后，得到混合溶液，混合溶液中钼酸钠浓度0.2M，HCl浓度0.4M；将所得混合溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应12h，取出反应釜自然冷却至室温，之后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到纳米带状的三氧化钼前驱体。
S2：将S1合成的纳米带状三氧化钼加入到70mL二次蒸馏水中搅拌至溶液均匀，再加入质量浓度36％的盐酸和硫脲、二氧化硒、硼氢化钠，搅拌1h，得混合溶液，其中纳米带状三氧化钼浓度0.04M，HCl浓度0.4M，硫脲浓度0.072M，二氧化硒的浓度0.008M，硼氢化钠的浓度为0.16M；再将溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应24小时，冷却后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到X＝0.10外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，如图10所示，为均匀的外延生长的分级结构。
实施例4
一种可控的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料方法，包括以下步骤：
S1：将钼酸钠溶解于二次蒸馏水中并加入质量浓度36％的盐酸，搅拌30分钟，混匀后，得到混合溶液，混合溶液中钼酸钠浓度0.2M，HCl浓度0.4M；将所得混合溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应12h，取出反应釜自然冷却至室温，之后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到纳米带状的三氧化钼前驱体。
S2：将S1合成的纳米带状三氧化钼加入到70mL二次蒸馏水中搅拌至溶液均匀，再加入质量浓度36％的盐酸和硫脲、二氧化硒、硼氢化钠，搅拌1h，得混合溶液，其中纳米带状三氧化钼浓度0.04M，HCl浓度0.4M，硫脲浓度0.068M，二氧化硒的浓度0.012M，硼氢化钠的浓度为0.16M；再将溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应24小时，冷却后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到X＝0.15外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，如图10所示，为均匀的外延生长的分级结构。
实施例5
一种可控的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料方法，包括以下步骤：
S1：将钼酸钠溶解于二次蒸馏水中并加入质量浓度36％的盐酸，搅拌30分钟，混匀后，得到混合溶液，混合溶液中钼酸钠浓度0.2M，HCl浓度0.4M；将所得混合溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应12h，取出反应釜自然冷却至室温，之后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到纳米带状的三氧化钼前驱体。
S2：将S1合成的纳米带状三氧化钼加入到70mL二次蒸馏水中搅拌至溶液均匀，再加入质量浓度36％的盐酸和硫脲、二氧化硒、硼氢化钠，搅拌1h，得混合溶液，其中纳米带状三氧化钼浓度0.04M，HCl浓度0.4M，硫脲浓度0.064M，二氧化硒的浓度0.016M，硼氢化钠的浓度为0.16M；再将溶液转移至100mL不锈钢聚四氟乙烯高温反应釜中，于180℃水热反应24小时，冷却后，通过离心收集产物，然后用水和无水乙醇分别洗涤3-5次，再将产物放入到60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可得到X＝0.20外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料，如图10所示，为均匀的外延生长的分级结构。
上述参照实施例对一种可控的外延生长的MoS2(1-x)Se2x分级结构的纳米复合材料的制备方法及其在锂离子电池上的应用进行了详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。