WS2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种WS2­纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极及其制备方法，其电化学贮镁活性物质为WS2­纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，复合材料中WS2纳米瓦和石墨烯的物质的量之比为1:1-1:3，WS2纳米瓦为少层数，平均层数约4层，复合电极的组分及其质量百分比含量为：WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料为80%，乙炔黑10％，羧甲基纤维素5%，聚偏氟乙烯5％。制备步骤：先制备得到WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料，然后与乙炔黑及聚偏氟乙烯调成糊状物，将该糊状物均匀地涂到作为集流体的泡沫铜上，真空干燥后滚压得到复合电极。本发明专利技术制备的复合电极具有高的可逆贮镁容量，优异的循环性能和增强的倍率特性，应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
ws2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极及制备方法
本专利技术涉及电化学贮镁复合电极及其制备方法，尤其涉及ws2纳米瓦/石墨烯电 化学贮镁纳米材料复合电极及其制备方法，属于新能源应用
。
技术介绍
随着现代移动通讯、新能源汽车和智能电网的发展，新型的化学电源在现代社会 中起到了越来越重要的作用。传统的二次电池，如铅酸蓄电池由于其含有害的金属元素 Pb， 其应用受到了限制。锂离子电池具有高的比能量、无记忆效应、环境友好等优异性能，在 移动电话和笔记本电脑等便携式移动电器中得到了广泛的应用。作为动力电池，锂离子电 池在电动自行车、电动汽车和智能电网等方面也具有广泛的应用前景。但是由于锂离子电 池的安全性一直没有好好的解决和锂资源的有限，锂离子电池作为动力电池和贮能电池的 广泛应用依然还存在很多工作要做。随着新能源汽车的发展和贮能电池的大规模应用迫切 需要寻找一种能替代现有二次电池体系的一种廉价、环境友好及高比容量的二次电池。由 于二价镁离子具有较小的半径，可以电化学嵌入和脱嵌于一些层结构的化合物，如：无机过 渡金属氧化物、硫化物等。另外镁还有资源丰富、价格低廉、比能量高、无毒和处理方便等优 点。因此，可充电镁离子电池近年来也成为一个新的二次电池的研究体系。但是到目前为 止作为高性能的电化学贮镁的电极材料还是很少。 WS2具有与石墨类似的层状结构，其层内是共价键结合的S-W-S，层与层之间则是 较弱的范德华力。WS 2较弱的层间作用力和较大的层间距允许通过插入反应在其层间引入 外来的原子或分子。这样的特性使ws2材料可以作为插入反应的主体材料。因此，1&是一 种有发展前途的电化学储镁的电极材料。但是一般的ws 2纳米材料电化学贮镁性能还不能 满足实际应用，其电化学贮镁容量较低，只有50-60 mAh/g。 二维纳米材料以其独特的形貌具有众多优异的特性，其研究引起了人们的极大兴 趣。石墨烯是最典型的二维纳米材料，其独特的二维纳米片结构使其众多独特的物理、化学 和力学等性能，具有重要的科学研究意义和广泛的技术应用前景。石墨烯具有极高的比表 面积、高的导电和导热性能、高的电荷迁移率，优异的力学性能，这些优异的特性使得石墨 烯在纳米电子器件、新型的催化剂材料和电化学贮能与能源转换等领域具有广泛的应用前 旦 -5^ 〇 石墨烯的发现及其研究取得的巨大成功激发了人们对其他无机二维纳米材料研 究的极大兴趣，如单层或少层数的过渡金属二硫化物等。最近，石墨烯概念已经从碳材料扩 展到其他层状结构的无机化合物，也就是对于层状结构的无机材料，当其层数减少时（8层 以下），尤其是减少到单层时，其电子性质或能带结构会产生明显的变化，从而导致其显示 了与相应体相材料不同的物理和化学特性。除了石墨烯外，当体相WS 2减少到少层数(尤其 是单层时)，显示了与体相材料明显不同的物理、化学特性。研究表明单层或少层数的ws2m 米片具有更好的电化学贮镁性能。但是作为电化学贮镁的电极材料，WS2的层与层之间低的 导电性能影响了其应用的性能。 由于WS2纳米片与石墨稀具有类似的_维纳米片形貌，两者在微观形貌和晶体结 构上具有很好的相似性。如果将ws 2纳米片与石墨烯复合制备两者的复合材料，石墨烯纳 米片的高导电性能可以进一步提高复合材料的导电性能，增强电化学贮镁电极反应过程中 的电子传递，可以进一步改善复合材料的电化学贮镁性能。与普通ws 2纳米片比较，小的纳 米瓦状形貌的ws2不仅具有较多的边缘，可以提供更多的短的镁离子扩散通道，而且负载在 石墨烯上，与电解液具有更多的接触面积。因此ws 2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料可以 显示显著增强的电化学贮镁性能。 但是，到目前为止，用ws2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料作为电化学活性物质的电 化学贮镁复合电极及其制备还未见报道。本专利技术首先用氧化石墨烯和硫代钨酸铵为原料， 通过双子表面活性剂协助的水热方法和随后的热处理，制备了 ws2纳米瓦/石墨烯的复合 纳米材料，然后用ws2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料作为电化学贮镁的活性物质，制备了 电化学贮镁的复合电极。本专利技术制备ws 2纳米瓦/石墨烯纳米材料电化学贮镁复合电极的 方法具有简单、方便和易于扩大工业化应用的有点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种WS2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极及其制备方法，复合 电极的电化学贮镁活性物质为WS2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，复合纳米材料中WS2纳 米瓦和石墨烯的物质的量之比为所述WS 2纳米瓦为少层数的层状结构，复合电极 的组分及其质量百分比含量为：WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料80%，乙炔黑10 %，羧甲基 纤维素5%，聚偏氟乙烯5%。 上述技术方案中少层数的层状结构是指层数在6层或6层以下的层状结构，所述 WS2纳米瓦的平均层数为4层。 上述ws2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极的制备方法包括以下步骤： (1) 将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，加入双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二 胺双溴化铵（见附图1)，并充分搅拌，然后依次加入L-半胱氨酸和硫代钨酸铵，并不断搅拌 使L-半胱氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，L-半胱氨酸和硫代钨酸铵用量的物质的量之比为 5:1，硫代钨酸铵与氧化石墨烯的物质的量之比为1:1-1:3 ; (2) 将步骤（1)得到的混合分散体系转移到水热反应釜中，并加入去离子水调整体积 至水热反应釜标称体积的80%，双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵的浓度为 0.01~0.02 mol/L，氧化石墨烯的含量为30-65 mmol/L，将该反应釜放入恒温烘箱里，在 230-250 °C下水热反应24 h后，让其自然冷却至室温，用离心分离收集水热反应固体产物， 并用去离子水充分洗涤，在l〇〇°C下真空干燥，将得到的水热反应固体产物在氮气/氢气 混合气氛中在800°C下热处理2 h，混合气体中氢气体积分数为10%，最后制备得到1&纳米 瓦/石墨烯的复合纳米材料； (3) 将上述制备的WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料作为制备复合电极的电化学贮镁 活性物质，与乙炔黑、羧甲基纤维素及质量分数5%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液在 搅拌下充分混合调成均匀的糊状物，各组分质量百分比为：WS 2纳米瓦/石墨烯复合纳米材 料80%，乙炔黑10 %，羧甲基纤维素5%，聚偏氟乙烯5 %，将该糊状物均匀地涂到作为集流体 的泡沫铜上，110°c下真空干燥，滚压得到ws2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极。 上述的氧化石墨烯采用改进的Hummers方法制备。 本专利技术的用双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二胺双溴化铵协助的水热方法制 备ws2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料的方法具有以下优点：氧化石墨烯表面和边缘带有很 多含氧官能团（如羟基，羰基，羧基)，这些含氧官能团使氧化石墨烯更容易地分散在水或有 机液体中，但是这些含氧官能团使氧化石墨烯表面带有负电荷，使得氧化石墨烯与带有负 电荷的WS广离子不相容，本专利技术通过静电作用先将双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二 胺双溴化铵吸附到氧化石墨烯表面，使其带有部分正电荷，由于静电作用，W本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种WS2­纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极, 其特征在于，复合电极的电化学贮镁活性物质为WS2­纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，复合纳米材料中WS2纳米瓦和石墨烯的物质的量之比为1:1‑1:3，WS2纳米瓦为少层数的层状结构，复合电极的组分及其质量百分比含量为：WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料80%，乙炔黑10％，羧甲基纤维素5%，聚偏氟乙烯5％。

【技术特征摘要】
1. 一种ws2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极，其特征在于，复合电极的电化学贮 镁活性物质为ws 2纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，复合纳米材料中ws2纳米瓦和石墨烯的 物质的量之比为1:1-1:3, WS2纳米瓦为少层数的层状结构，复合电极的组分及其质量百分 比含量为：WS2纳米瓦/石墨烯复合纳米材料80%，乙炔黑10%，羧甲基纤维素5%，聚偏氟乙 烯5%。2. 根据权利要求1所述的WS2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极，其特征在于，所 述WS2纳米瓦的平均层数为4层。3. -种权利要求1或2所述WS2纳米瓦/石墨烯电化学贮镁复合电极的制备方法，其 特征在于，其制备方法按以下步骤进行： (1) 将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，加入双子表面活性剂N-十二烷基亚丙基二 胺双溴化铵，并充分搅拌，然后依次加入L-半胱氨酸和硫代钨酸铵，并不断搅拌使L-半胱 氨酸和硫代钨酸铵完全溶解，L-半胱氨酸和硫代钨酸铵用量的物质的量之比为5:1，硫代 钨酸铵与氧化石墨烯的物质的量之比为1:1-1:...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫祥，黄国创，王臻，马琳，叶剑波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33