二维层状类石墨烯过渡金属硫化物(MS2, M=Mo, W, Sn)纳米材料的合成及其作为锂离子电池负极材料的应用研究

This project provides design and synthesis of graphene-like transition metal dichalcogenides (MS2, M=Mo, W, Sn) as lithium ion battery anodes, and characterization and investigation of their micro-structure and electrochemical performances, especially focusing on the single-layer MS2. The project would synthesize graphene-like MS2(M=Mo, W, Sn) nanomaterials by physical mechanical exfoliation, organometallic compound intercalation exfoliation and organic solvothermal reduction, and find out the main effects of micro-morphology and structure of graphene-like nanomaterials on their formation and electrical properties. From optimized synthesis routes and conditions, a series of graphene-like MS2(M=Mo, W, Sn) nanomaterials with excellent electrochemical performances would be obtained. This project would create the practical and theoretical foundation for the application of new generations of lithium ion batteries (especially for power batteries) with high specific capacity, high specific power rate and long cycling life, as well as for a new route to synthesize other kinds of inorganic graphene-like nanomaterials.

本项目提出了设计和合成类石墨烯结构的过渡金属二硫化物(MS2, M=Mo, W, Sn)作为锂离子电池负极材料，并对其微观结构和电化学储锂机理进行表征和研究，特别是单层结构MS2的电化学储锂性能。该项目将通过物理机械剥离、金属有机化合物插层剥离以及有机溶剂热还原等途径合成类石墨烯MS2(M=Mo, W, Sn)纳米材料，找出控制影响类石墨烯纳米材料微观结构、形貌等，及其形成和电化学性能等的关键因素，通过优化合成方法和条件，制备得到电化学储锂性能优异的类石墨烯过渡金属二硫化物纳米材料。为其在高比容量、高比功率和长循环寿命的新一代锂离子电池(尤其动力电池)中的应用建立扎实的理论和实验基础，同时也为其他无机类石墨烯纳米材料的合成和应用提供一种新的思路和途径。

本项目旨在设计和合成类石墨烯结构的过渡金属二硫化物作为锂离子电池负极材料，特别是单层结构MS2的制备和电化学储锂性能，以期获得更高的储锂容量，为高比容量锂离子电池的应用提供实验数据和理论依据。项目主要内容和发现：.（1）将(NH4)2MoS4溶于N-甲基吡咯烷酮嵌溶剂中，加入少量的水合肼，经超声回流，所得产物在惰性气氛下热处理可以得到纳米笼状空心类富勒烯二硫化钼。它是由类富勒烯二硫化钼片层闭合构成的平均直径为100nm、平均壁厚为10-30nm的空心纳米笼。这种特殊结构的纳米笼用于锂离子电池负极材料可以有效地为充放电产生的单质S膨胀提供适宜的缓冲空间，保持了高的放电容量和循环性能。.（2）直接以(NH4)2MoS4和(NH4)2WS4为原料，在一定的温度范围内热处理，可以得到弱范德华力的2H相态MoS2和WS2块体材料。后者在乙醇、水、异丙醇等小分子溶剂中很容易剥离成单层2H相态的MoS2和WS2纳米片。.（3）将(NH4)2MoS4和(NH4)2WS4分别与LiOH按计量比混合，在一定温度范围内热处理可以得到1T相态和2H相态的嵌锂化合物LixMoS2和LixWS2。这些不同相态的嵌锂化合物在乙醇、水、异丙醇等小分子溶剂中容易自行剥离成对应2H和1T相态的单层MoS2和WS2纳米片。.（4）初步研究了单层2H相态MoS2的电化学储锂离子性能和光催化分解水析氢性能。发现单层硫化钼有着超出普通块体硫化钼的超大储锂容量和优异的循环性能；单层MoS2与CdS复合，其催化析氢活性已远超过Pt/CdS体系。尤其以1T单分子层的MoS2，无论其导电性和析氢活性，在可替代Pt催化剂中都展现了巨大的应用潜力。.（5）分别用乙二醇/水和二甲亚砜/水体系作为反应介质，通过添加少量葡萄糖在线生成烷基糖苷类表面活性剂，可以实现在常压低温液相中直接合成出大小均匀，分散性好的特殊形貌的纳米LiMnPO4颗粒，经后续高温覆碳处理可以得到电化学性能优异的LiMnPO4正极材料。该材料有较高的放电电压，可以与硫化钼负极材匹配组合成性能较好的全电池。.本项目探索出了一种可以量产单层硫化物的简便方法，为单层硫化物在储锂、光析氢等领域的深入研究奠定了很好的基础。