异质层状材料共球磨构筑薄层钼硫(氧)化物/石墨烯复合物及其超级电容器性能研究

Taking advantages of the unique structure and physicochemical properties of graphene and graphene-like nanosheets, this project will be mainly focused on the study of one-step hybridization of graphene and MoS2(MoO3) nanosheets by dry ball-milling heterogeneous layered materials of expandable graphite and bulk MoS2(MoO3) or its precursor to get the composites with high conductivity besides fully utilized reaction sites. We will systemically study the relationship between the structure characteristics of composites and the corresponding synthesis parameters and reveal the interaction mechanism among expandable graphite, MoS2(MoO3) and ball-milling medium. Moreover, we intend to investigate the number and size of the layers, heterogeneous phase composition, stacking form and order degree, specific surface area and surface defects on the supercapacitor performance and elucidate the synergistic effect of energy storage between few-layered MoS2(MoO3) nanosheets and graphene compounds. Based on the above-mentioned study, our goal is to develop electrode materials with high capacity, enhanced energy density and power density simultaneously via optimization of experimental conditions. This project will provide valuable theoretical basis and experimental evidence for design and preparation of electrode materials with high energy-storage performance.

本项目拟利用石墨烯及类石墨烯纳米片的独特结构和物理化学性质，分别采用干法共球磨异质层状材料可膨胀石墨与块状MoS2(MoO3)或硫钼酸铵(钼酸铵)一步实现石墨烯与少层MoS2(MoO3)的杂化复合，使材料具有高导电性的同时其层间反应位点得以充分使用。系统研究杂化材料的微结构特征与合成工艺参数的关系，揭示剥离过程中可膨胀石墨、MoS2(MoO3)以及球磨介质相互间的作用机制。分析杂化结构中纳米薄片的层数、尺寸、异质相组成、堆垛形式和有序度、比表面积以及表面缺陷等微结构特征对电极电容特性的影响，阐明少层MoS2(MoO3)与石墨烯复合物的协同储能机理。在此基础上，通过优化实验条件获得具有高比容量、高能量密度/功率密度和稳定循环性能的超级电容器电极材料，为高性能储能材料的设计与制备研究提供有价值的实践和理论依据。

具有层状结构的过渡金属氧硫化物层间具有大量可供电荷到达的位点，若能在保证其导电性能的同时减小晶粒尺寸或者增加材料的层间距，则可以缩短离子的扩散距离或减小离子的扩散阻力而快速大量储存电荷，因此该类材料具有优异的储电潜力。将二维过渡金属氧硫化物纳米片与石墨烯等炭材料有效杂化则是获得具有理想结构的电极材料的重要途径。目前，研究人员实现两者杂化的方法主要包括自下而上的原位限域生长控制和自上而下的剥离组装。.本项目将利用球磨法将层状过渡金属氧硫化物与石墨两种异质二维材料共同剥离处理，使两者在剥离的同时实现复合，一步得到二维过渡金属氧硫化物纳米薄片与少层碳的杂化复合物。1）一步法直接合成三明治型薄层MoO3,MoS2与薄层碳的复合物研究。探究不同的反应参数对块体材料被剥离程度、两物质堆垛的有序度、纳米薄片尺寸等微观结构和电化学性能的影响；阐明球磨剥离过程中过渡金属氧硫化物（MoS2和MoO3）与可膨胀石墨等碳材料之间的相互作用机制，基本实现了对杂化复合物中层状材料被剥离程度、层片尺寸以及异质相组成的有效调控，得到了电化学性能较理想的电极材料。2）以(NH4)2MoS4辅助球磨剥离可膨胀石墨制备两种异质材料的薄层杂化复合物。研究球磨过程中(NH4)2MoS4对可膨胀石墨剥离的影响，MoS2纳米片的生长规律以及与石墨烯的复合过程；延伸使用本方法进行了MoO3/MoS2复合物的合成。并与其他体系下球磨剥离得到的产物的微观结构进行比较，进一步深入探讨用离子晶体前驱物同时作为球磨介质和反应物得到的产物的结构和性能特征。3）对杂化复合物的储电性能和相关机理研究。重点研究层状材料被剥离程度、层片尺寸以及相组成等物性结构特征对电子、离子输运能力、活性位点利用率及循环过程结构稳定性的影响。研究反应参数、杂化材料的微结构以及电化学性能三者之间的关联性。这些工作将推动本设计理念在新型高性能储电材料中的应用。