MS2(M=Mo,W)硫化物復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、光學、電化學和力學性能，一直是材料領域的研究重點。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電性能，近年來在摩擦學和能源領域引起了科學家們的廣泛關(guān)注。研究表明，二硫化鉬作為鋰離子電池負極材料時，相對于碳基材料而言，二硫化鉬的導電性和循環(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，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，為了進一步提高過渡金屬硫族化合物納米材料的摩擦學性能和電化學特性，本文運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，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的控制。在此基礎上，通過摻雜和復合的方式對其進行改性，考察改性前后的摩擦學性能和電化學性能的變化。
　　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）納米材料的摩擦學性能和電化學性能和展開了研究。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油中，采用點接觸旋轉(zhuǎn)模式進行摩擦磨損實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二硫

4、化鉬納米球作為基礎油添加劑時，載荷固定為40N，轉(zhuǎn)速300r·min-1下，摩擦系數(shù)達到最小值0.08；超薄的二硫化鎢納米片作為基礎油添加劑時，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行電化學性能測試，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)的基礎上，對其進行鎢的摻雜改性。實驗結(jié)果顯示，W的添加對MoS2的形貌和性能有較大的影響,當W的摻雜量為9at%時（應溫度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極材料進行了電化學性能測試，結(jié)果得出，初始放電容量為1100.1mAh/g，

7、相應的可逆容量為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合，對復合后產(chǎn)物MoS2/石墨、MoS2/C、Mo0.91W0.09S2/石墨和Mo0.91W0.09S2/C的形貌以及作

8、為鋰電池負極電極材料和超級電容器電極材料的電化學性能進行了研究。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、糖復合后的材料作為鋰電池負極材料時的電化學性能，以鉬粉、硫粉為前驅(qū)體合成MoS2/C-1復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復合材料，作為超級電容器電極考察了該復合材料的電化學行為。在電流密度1 A g?1下，計算得到Mo0.91W0.09S2/C的比電容值為432.7Fg?1，