超薄MS2(M=Mo,W)納米片的制備與性能研究.pdf

1、富勒烯、碳納米管材料的出現(xiàn)，推動(dòng)了無(wú)機(jī)類富勒烯及管狀結(jié)構(gòu)納米材料的研究。與此類似，石墨烯的出現(xiàn)，帶動(dòng)了類石墨烯材料的研究熱潮。近年來(lái)，二維層狀納米材料因其獨(dú)特的物理、化學(xué)、電子學(xué)和力學(xué)性能，引起人們廣泛的關(guān)注。其中，超薄的二硫化鉬（鎢）納米片是其中兩種重要的功能材料，在潤(rùn)滑劑、半導(dǎo)體電子器件、鋰離子電池、超級(jí)電容器、儲(chǔ)氫等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景。
　　本文主要針對(duì)超薄二硫化鉬（鎢）納米片的制備方法及其性能的研究而展開(kāi)，采用高溫硫化

2、反應(yīng)法和水熱反應(yīng)法制備了超薄二硫化鉬（鎢）納米片，并對(duì)其鋰電性能和作為潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容有如下幾個(gè)方面:
　　(1)對(duì)超薄的二硫化鉬（鎢）納米片的制備方法展開(kāi)了研究。
　　采用硫脲和三氧化鉬為原料，利用高溫硫化反應(yīng)法，在反應(yīng)溫度850℃，反應(yīng)時(shí)間1h的條件下制備出了厚度5-10nm，側(cè)面尺寸100-150nm的超薄二硫化鉬納米片。比較了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及硫脲與三氧化鉬的摩爾比對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響

3、。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到600℃時(shí)三氧化鉬全轉(zhuǎn)化為二硫化鉬，隨著反應(yīng)溫度的升高，所生成的二硫化鉬納米片尺寸變大，當(dāng)反應(yīng)溫度升高到850℃時(shí)所制備材料形貌最好。保溫時(shí)間和原料的摩爾比對(duì)納米片的形貌也有很大的影響，當(dāng)保溫時(shí)間為1h，硫脲對(duì)三氧化鉬的摩爾比為60∶1時(shí)，所生成的納米片形貌較好。分析了超薄二硫化鉬納米片的形成機(jī)理，在反應(yīng)過(guò)程中，硫脲會(huì)快速分解，產(chǎn)生大量的CS2、H2NCN和NH3，而其中的CS2會(huì)迅速與MoO3反應(yīng)，在氧化鉬顆

4、粒表面生成一層二硫化鉬，同時(shí)大量的氣體會(huì)對(duì)氧化鉬顆粒表面產(chǎn)生沖蝕作用，使得生成的二硫化鉬從氧化鉬表面剝離，形成超薄的二硫化鉬納米片。
　　以鉬酸銨和硫脲為原材料，利用水熱反應(yīng)法，在反應(yīng)溫度為220℃，反應(yīng)時(shí)間為24h的條件下制備出了厚度約5nm，側(cè)面尺寸200-400nm并且分散良好的超薄二硫化鉬納米片。比較了反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)制備產(chǎn)物形貌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低溫條件下所合成樣品結(jié)晶度差，樣品中納米片較少，并且呈無(wú)序狀分布，當(dāng)反應(yīng)

5、溫度達(dá)到220℃時(shí)，所合成樣品主要由超薄納米片組成，并且納米片分散較好。此外，反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物的形貌也有很大的影響，在反應(yīng)溫度為220℃時(shí)，剛開(kāi)始生成的二硫化鉬主要是由一些納米片組裝成的三維微球狀結(jié)構(gòu)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，微球的尺寸逐漸變小，同時(shí)微球中的納米片開(kāi)始分散，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到24h時(shí)，納米片的分散程度最好。
　　以硫脲和三氧化鎢為原料，在850℃溫度條件下，利用高溫硫化反應(yīng)法制備出了厚度約5nm，側(cè)面尺寸100-300nm的

6、類石墨烯二硫化鎢納米片。分析了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及制備工藝等對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到800℃時(shí)三氧化鎢全轉(zhuǎn)化為二硫化鎢，當(dāng)反應(yīng)溫度升高到850℃時(shí)所制備材料形貌較好。保溫時(shí)間對(duì)納米片的形貌也有很大的影響，保溫1h可以獲得較好的形貌。分析了類石墨烯二硫化鎢納米片的形成機(jī)理，在反應(yīng)過(guò)程中，硫脲會(huì)快速分解，產(chǎn)生大量的CS2、H2NCN和NH3，而其中的CS2會(huì)迅速與WO3反應(yīng)，在氧化鎢顆粒表面生成一層二硫化鎢，同時(shí)大量的氣

7、體會(huì)對(duì)氧化鎢顆粒表面產(chǎn)生沖蝕作用，使得生成的二硫化鎢從氧化鉬表面剝離，形成超薄的二硫化鎢納米片。
　　(2)對(duì)超薄的二硫化鉬（鎢）納米片的電化學(xué)性能和摩擦學(xué)性能展開(kāi)了研究。
　　將高溫硫化反應(yīng)法所制備的超薄二硫化鉬納米片作為鋰離子電池的負(fù)極材料，對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了初步的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其首次放電比容量和充電比容量分別為1213.2 mAh/g和953.4mAh/g，經(jīng)過(guò)50次充放電循環(huán)后，放電比容量衰減為794mAh/g，容

8、量維持率為79.8％。
　　將水熱法制備的二硫化鉬納米片以不同的質(zhì)量百分比添加到基礎(chǔ)油中，比較其減摩效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加了二硫化鉬的潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)均比基礎(chǔ)油要小，其中當(dāng)二硫化鉬納米片的添加量為1 wt.％時(shí)，潤(rùn)滑油在載荷固定為20N改變速度和速度固體為0.210m/s改變載荷的條件下的綜合減摩效果最好。此外，還將超薄二硫化鉬納米片的減摩效果與市售二硫化鉬微粉的減摩效果進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超薄二硫化鉬納米片的減摩效果更好。
　

9、　將超薄的二硫化鎢納米片作為鋰電池的負(fù)極材料，對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了初步的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其首次放電比容量和充電比容量分別為755.8 mAh/g和630.7mAh/g，經(jīng)過(guò)50次充放電循環(huán)后，放電比容量衰減為553.4 mAh/g，容量維持率為86.5％。
　　(3)針對(duì)摻雜對(duì)二硫化鎢納米片形貌和性能的影響展開(kāi)了研究。利用高溫硫化反應(yīng)法制備了Ti、V摻雜的二硫化鎢納米片，并對(duì)摻雜后的納米片的形貌進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈦摻雜有利于納米片

10、的生長(zhǎng)，所制備的納米片側(cè)面尺寸明顯比純二硫化鎢納米片的尺寸大，分散性好。而摻雜了釩的納米片形貌不均一，側(cè)面尺寸變小，邊緣卷曲嚴(yán)重。
　　將鈦、釩摻雜二硫化鎢納米片與純二硫化鎢納米片作為潤(rùn)滑油添加劑以1wt.％的質(zhì)量百分比添加到基礎(chǔ)油中，配制成三種潤(rùn)滑油，對(duì)其摩擦學(xué)性能展開(kāi)了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鈦摻雜二硫化鎢納米片具有最強(qiáng)的抗磨減摩性能，而釩摻雜二硫化鎢納米片的性能則最差。對(duì)其減摩機(jī)理進(jìn)行了初步的分析，主要是由于納米片在金屬表面沉積成