一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于钠离子电池技术领域，具体公开了一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料及其制备方法和应用，所述材料为片层结构，所述材料包含二硫化钼以及包覆在所述二硫化钼表面的碳层，所述碳层中的碳元素与所述二硫化钼通过范德华力结合，所述碳层中掺杂氮元素，所述氮元素与所述碳层中的碳元素通过化学键结合。本发明专利技术N

【技术实现步骤摘要】
一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于钠离子电池
，更具体地，涉及一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在各种先进的能源存储系统中，金属钠由于价格低廉，自然资源丰富，钠离子电池(SIBs)被认为是锂离子电池(LIBs)的最佳替代品。二硫化钼(MoS2)是一种类石墨烯结构钒层状化合物，具有较大的比表面积和高的理论比容量，作为钠离子电池负极材料引起了广泛关注，但其仍存在许多不足，例如：本征电导率低、极化严重、材料利用率低。此外，二硫化钼层间距为0.62nm，比钠离子半径要大得多，但由于充放电过程中大量Na
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扩散引起的内部应力仍会导致巨大的体积膨胀，限制了MoS2在SIBs中的实际应用。
[0003]针对上述特点，将MoS2与各种高电导率的碳质基体结合起来提高其电化学性能具有重要意义。
[0004]中国专利CN106450181A公开了一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维管套管结构复合材料的制备方法。该材料合成过程如下：将硫代钼酸铵和聚甲基丙烯酸甲酯溶于溶剂中，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，烘干，等离子表面处理，原位聚合，得到表面包覆聚吡咯的纤维，洗涤，干燥，在氩气/氢气混合气下高温还原，然后在氩气条件下高温碳化。但此方法合成过程繁琐，操作复杂，静电纺丝涉及高电压条件危险性大；各步骤反应剩余的废料难以回收循环利用，易造成资源浪费；在纳米纤维管套管结构中MoS2的浓度难以有效精准调控。中国专利CN109904408A公开了一种MoS2纳米片镶嵌在碳基底复合材料的制备方法。该材料以四硫代钼酸铵前驱体，将其置于特定的反应装置中高温高压下形成MoS2/C纳米复合材料。该碳基底可以有效防止MoS2的团聚，缓解MoS2充放电过程中的体积膨胀和提高导电性。但其存在如下缺点：合成过程繁琐，操作危险系数高，涉及到高温高压过程；实施条件比较苛刻。中国专利CN109346723A公开了一种基于钼箔负载的MoS2纳米片阵列结构制备方法。该材料以MoO3和S粉为蒸发源，通过化学气相沉积法直接在钼箔上生长出MoS2纳米片阵列结构。但其生产工艺涉及到多种物料的多种化学反应，对装置设备的要求高；此外，参加沉积的反应源S粉易燃易爆，有毒，对环境的污染大。中国专利CN107799757A公开了一种MoS2/氮掺杂碳钠离子电池负极材料的制备方法。该材料以三聚氰胺海绵为模板，在水热条件下生长一层MoS2，经高温碳化，得到一种独特的三维中空结构。但其生产工艺相对复杂、能耗高、危险性大，涉及到高温高压水热和后续高温火焰焙烧等过程，生产过程中的废料难以回收循环利用，易造成资源浪费。中国专利CN112938941A公开了一种氮、硫共掺杂石墨烯
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二硫化钼纳米复合材料的制备方法，将硫脲和钼源溶于乙醇中，恒温水浴搅拌得到溶液凝胶，干燥并高温烧结得到纳米复合材料。但这种方法所需时间较长，能耗大，不宜批量生产。
[0005]文献(Elctrochim Acta.285(2018)301
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308)报道了一种氮掺杂碳纳米纤维@MoS2纳米片的制备方法。该材料先通过静电纺丝合成氮掺杂碳纳米纤维，然后将此纤维与钼盐
和硫脲水热，退火生长得到MoS2纳米片，由于与碳复合增强了电导率而具有良好的储钠性能。但其生产工艺过程繁琐，涉及静电纺丝和高温水热以及退火等多步反应。并且静电纺丝过程装置复杂，需要较高的电场强度，危险性大。文献(RSC Adv.5(2015)34777
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34787)报道了一种富缺陷的MoS2/石墨烯纳米片三维多孔复合材料。该材料以硫钼酸钠为硫源和钼源，在750℃的高温下通氢气为还原剂，还原硫钼酸铵在碳纤维表面生成MoS2，但这种方法中氢气易爆炸，危险性很高。
[0006]文献(Can J Chem Eng.90(2012)330
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335)以SiO2为载体，聚苯乙烯乳胶为模板，(NH4)2MoS4为原料通过超声喷雾热解合成了球状MoS2/SiO2复合材料。文献(Appl Surf Sci.523(2020)146470)先将含钼盐的溶液雾化，使其流入高温扩散火焰中，火焰以丙烷气体为燃料，不断注入氧气以维持火焰的高度和温度(3000℃)，采用超声火焰喷雾热解制备MoO3纳米颗粒，然后与硫脲在Ar/H2条件下还原成MoS2，最后用聚多巴胺包覆经高温碳化合成MoS2@NC复合纳米粒材料。
[0007]综上，合成MoS2基材料的制备方法多样，但存在着许多不足，例如：传统水热法所需反应条件苛刻，产率低，不可控因素多，导致重复性差；溶胶凝胶法所需周期长，对原料的要求高；静电纺丝法生产工艺过程繁琐，生产成本高；高温煅烧法危险性高，对环境的污染大。因此，寻找一种反应条件温和、原料利用率高、成本低廉和环境友好的制备工艺显得尤为重要。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料，该材料为氮掺杂碳层包覆MoS2的片层结构，作为电池负极材料可以提高其导电性，也能有效缓解电极活性材料充放电过程中巨大的体积变化，该负极材料具有优异的电化学性能。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料，所述材料为片层结构，所述材料包含二硫化钼以及包覆在所述二硫化钼表面的碳层，所述碳层中的碳元素与所述二硫化钼通过范德华力结合，所述碳层中掺杂氮元素，所述氮元素与所述碳层中的碳元素通过化学键结合；在所述材料中，二硫化钼的质量分数为50％～75％，碳元素的质量分数为20％～40％。
[0010]本专利技术的另一目的在于提供一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料的制备方法，通过喷雾热解法制备片层结构的N
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C@MoS2复合材料，旨在解决现有制备MoS2/氮掺杂碳材料的方法操作繁琐、条件苛刻、原料利用率低的问题。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供了一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0012]S1、将富氮有机物焙烧得到类石墨氮化碳(g
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C3N4)；
[0013]S2、将步骤S1制得的g
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C3N4和四硫代钼酸铵在去离子水中超声分散，再依次加入碳包覆前驱体和引发剂，原位聚合得到复合材料前驱体；
[0014]S3、将步骤S2制得的复合材料前驱体进行喷雾热解；
[0015]S4、将步骤S3喷雾热解的产物于保护气氛下高温碳化，冷却得到N
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C@MoS2复合材料。
[0016]优选地，步骤S1中，制备g
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C3N4的具体过程如下：将富氮有机物以2℃/min～5℃/
min的升温速率，升温至400℃～600℃保温煅烧2h～4h，得到g
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C3N4；所述富氮有机物为盐酸胍、尿素、三聚氰胺和硫脲中的至少一种。
[0017]优选地，步骤S2中，所述四本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼复合氮掺杂碳材料，其特征在于：所述材料为片层结构，所述材料包含二硫化钼以及包覆在所述二硫化钼表面的碳层，所述碳层中的碳元素与所述二硫化钼通过范德华力结合，所述碳层中掺杂氮元素，所述氮元素与所述碳层中的碳元素通过化学键结合；在所述材料中，二硫化钼的质量分数为50％～75％，碳元素的质量分数为20％～40％。2.一种权利要求1所述的二硫化钼复合氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将富氮有机物焙烧得到g
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C3N4；S2、将步骤S1制得的g
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C3N4和四硫代钼酸铵在去离子水中超声分散，再依次加入碳包覆前驱体和引发剂，原位聚合得到复合材料前驱体；S3、将步骤S2制得的复合材料前驱体进行喷雾热解；S4、将步骤S3喷雾热解的产物于保护气氛下高温碳化，冷却得到N
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C@MoS2复合材料。3.根据权利要求2所述的二硫化钼复合氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，制备g
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C3N4的具体过程如下：将富氮有机物以2℃/min～5℃/min的升温速率，升温至400℃～600℃保温煅烧2h～4h，得到g
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C3N4；所述富氮有机物为盐酸胍、尿素、三聚氰胺和硫脲中的至...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹红，李怀玉，侯朝辉，罗佳，余果，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：