MS2(M=Mo,W)硫化物復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

1、過渡金屬硫化物納米材料因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)和力學(xué)性能，一直是材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。以MoS2為代表的過渡金屬硫化物納米材料，具有類石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)、大的比表面積和良好的導(dǎo)電性能，近年來在摩擦學(xué)和能源領(lǐng)域引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。研究表明，二硫化鉬作為鋰離子電池負(fù)極材料時，相對于碳基材料而言，二硫化鉬的導(dǎo)電性和循環(huán)性能相對較差。研究發(fā)現(xiàn)，通過摻雜金屬原子或非金屬原子能克服其中單一材料的缺陷，能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，能使得原有材料具有完全

2、不同的形貌和尺寸，從而使其具有更優(yōu)異的性能。所以，為了進(jìn)一步提高過渡金屬硫族化合物納米材料的摩擦學(xué)性能和電化學(xué)特性，本文運(yùn)用固相合成法以不同的先驅(qū)體去制備不同形貌的二硫化鉬和二硫化鎢納米材料，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的控制。在此基礎(chǔ)上，通過摻雜和復(fù)合的方式對其進(jìn)行改性，考察改性前后的摩擦學(xué)性能和電化學(xué)性能的變化。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用硫脲和三氧化鉬、硫粉和三氧化鉬、硫粉和鉬粉三組不同的反應(yīng)原料，在850℃溫度，氬氣氣氛，保溫2小時，分

3、別制備了二硫化鉬納米片、二硫化鉬納米球和3D二硫化鉬微球。另外，以硫和鎢、硫脲與三氧化鎢、三氧化鎢和硫粉三組不同的反應(yīng)原料，在800℃溫度，氬氣氣氛，保溫1小時，分別制備了超薄的二硫化鎢納米片、尺寸相對比較大的二硫化鎢納米片和球狀結(jié)構(gòu)的二硫化鎢。⑵對所制備的二硫化鉬（鎢）納米材料的摩擦學(xué)性能和電化學(xué)性能和展開了研究。將不同先驅(qū)體所制備的二硫化鉬（鎢）以1wt.％質(zhì)量百分比添加到基礎(chǔ)油中，采用點(diǎn)接觸旋轉(zhuǎn)模式進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二硫

4、化鉬納米球作為基礎(chǔ)油添加劑時，載荷固定為40N，轉(zhuǎn)速300r·min-1下，摩擦系數(shù)達(dá)到最小值0.08；超薄的二硫化鎢納米片作為基礎(chǔ)油添加劑時，同等條件下，摩擦系數(shù)為0.09。說明納米粒子能很好的附著在基體表面起到潤滑成膜的作用，表現(xiàn)出良好的潤滑效果。⑶將制備的三種不同形貌的 MoS2作為鋰離子電池電極分別進(jìn)行電化學(xué)性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D二硫化鉬微球具有更高的比容量和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。50次循環(huán)后，其可逆容量從1020.4 mAhg?1

5、降為850.9 mAhg?1,容量維持率為83.4%。同時對超薄的WS2納米片也進(jìn)行了充放電性能測試，得出 WS2的充放電比容量大約在20次循環(huán)后容量趨于平穩(wěn)。然而，在大電流密度下其比容量衰減很快，循環(huán)穩(wěn)定性變得比較差。⑷制備3D二硫化鉬結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行鎢的摻雜改性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，W的添加對MoS2的形貌和性能有較大的影響,當(dāng)W的摻雜量為9at%時（應(yīng)溫度800℃保溫1h），得到厚度為幾十納米、表面平整、光滑、相互交錯的Mo0.9

6、1W0.09S2納米片。同時，考察了Mo0.91W0.09S2納米片作為HVI750基礎(chǔ)油添加劑的摩擦性能，同等條件下，整體的減摩性能不如MoS2納米球。主要原因是由于納米片的尺寸影響，卷曲的MoS2超薄納米片有較大的比表面積，更容易被分散開來，沉積在摩擦副的表面形成潤滑膜，從而更能提高抗磨減摩的能力。⑸對摻雜后的Mo0.91W0.09S2納米片作為鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行了電化學(xué)性能測試，結(jié)果得出，初始放電容量為1100.1mAh/g，

7、相應(yīng)的可逆容量為1000.2mAh/g，庫侖效率為90.9%，兩次的容量下降不大，要遠(yuǎn)好于MoS2微球和WS2超薄納米的下降量，同時庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性也比較的好。但是，初始放電容量和整體的容量要比3D結(jié)構(gòu)的MoS2微球要小。⑹對3D二硫化鉬微球和鎢摻雜二硫化鉬的 Mo0.91W0.09S2納米片分別與石墨和葡萄糖復(fù)合，對復(fù)合后產(chǎn)物MoS2/石墨、MoS2/C、Mo0.91W0.09S2/石墨和Mo0.91W0.09S2/C的形貌以及作

8、為鋰電池負(fù)極電極材料和超級電容器電極材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，雖然MoS2/石墨電極提供的初始放電容量為1248.5 mAhg?1，要高于MoS2微球，但是3D結(jié)構(gòu)的 MoS2微球卻具有較高的容量保持率。同時，對比了Mo0.91W0.09S2和Mo0.91W0.09S2/石墨復(fù)合材料電極在100 mA/g電流密度下多次充放電的行為，得出Mo0.91W0.09S2/石墨材料表現(xiàn)出了更高的比容量和較高的容量保持率。⑺考察了與葡萄

9、糖復(fù)合后的材料作為鋰電池負(fù)極材料時的電化學(xué)性能，以鉬粉、硫粉為前驅(qū)體合成MoS2/C-1復(fù)合材料電極的初始放電容量為1350.5mAh/g，無論在比容量和多次充放容量保持率以及循環(huán)的穩(wěn)定性上，都要好于MoS2微球。最后，以鉬粉、硫粉、鎢粉和葡萄糖合成的 Mo0.91W0.09S2/C復(fù)合材料，作為超級電容器電極考察了該復(fù)合材料的電化學(xué)行為。在電流密度1 A g?1下，計(jì)算得到Mo0.91W0.09S2/C的比電容值為432.7Fg?1，