摘 要

MoS₂三维(3D)结构是通过CS₂辅助水热方法制备的，并通过改变混合溶液中的甘油比例调控MoS₂晶体的生长。研究发现，增加混合溶剂中甘油的含量，可以显著降低纳米片单元的厚度和横向尺寸。当甘油体积比达15 %时，可以得到由约有3层，小尺寸和层间距扩大的MoS₂纳米片构成的稳定多孔纳米结构，即MoS₂-15。因为合理的调控MoS₂纳米片单元和使其聚集成适合的三维结构，样品MoS₂-15表现出优良的储锂能力，分别在0.1 Ag⁻¹电流密度循环100次后的和在0.5 Ag⁻¹电流密度循环300次后，仍具有1027 mAh g⁻¹和738 mAh g⁻¹的容量，远超本工作中制备的其他结构的材料。更重要的是，不同形貌的三维构造表现出可调控的电化学性能，揭示了性能与结构和形貌之间的关系，提供了一种优化纳米结构而改善储锂性能和电催化制氢性能的潜在方法。

关键词：MoS₂分层结构；醇控合成；次级结构；锂电子电池

Glycerol-controlled Synthesis of MoS₂ Hierarchical Architectures with Well-tailored Subunits and Enhanced Electrochemical

Performance for Lithium Ion Batteries

Abstract

MoS₂ three dimensional (3D) architectures with various subunits were synthesized using glycerol to mediate the growth of MoS₂ crystals though a CS₂-assisted hydrothermal approach. It has been found that the thickness and lateral size of subunits can be distinctly reduced by increasing glycerol content in the mixture solvent. A stable porous MoS₂ architecture, composed of nanosheets with a tiny size, ∼3 layers and expanded interlayer distance, namely MoS₂-15, was obtained when the volume proportion of glycerol reaches 15 %. The sample MoS₂-15 exhibits superior electrochemical performance in lithium ion storage, due to reasonable design as well as smart organization of MoS₂ subunits, featured by a capacity of 1027 mAhg⁻¹ at 0.1 Ag⁻¹ after 100 cycles and 738 mAhg⁻¹ at 5 Ag⁻¹ after 300 cycles, exceeding other MoS₂ nanostructured materials in this work. More importantly, the as-prepared various architectures exhibit tunable electrochemical behaviors depending on structure and morphology evolution, which truly reflects the potential to optimize the microstructure for lithium ion host materials.

Key words: MoS₂ hierarchical architectures; Glycerol-controlled synthesis; Superior secondary architectures; Lithium-ion batteries

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章：绪论 2

1.1选题背景及意义 2

1.2 MoS₂的结构与性质 2

1.3锂离子电池的简介 4

1.4锂离子电池的负极材料 5

1.4.1碳基材料 5

1.4.2硅基材料 5

1.4.3 锡基材料 6

1.4.5金属硫化物材料 6

1.5 MoS₂的制备方法介绍 6

1.6 MoS₂的应用、研究现状 7

1.6.1构建基于MoS₂纳米片的三维结构 8

1.6.2 扩大MoS₂纳米片的层间距 9

1.6.3基于MoS₂纳米片的复合材料 10

第二章：MoS₂空心球与片的制备 12

2.1.概述 12

2.2 实验部分 12

2.2.1 实验药品与仪器 12

2.2.2 实验步骤 13

2.3表征方法 14

2.3.1 X射线衍射光谱(XRD) 14

2.3.2场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM) 14

2.3.3 X射线光电子能谱分析(XPS) 14

2.3.4 BET测试 14

2.3.5拉曼光谱 14

2.4锂电池性能测试 14

2.4.1电极的制备 14

2.4.2电池的组装 15

2.4.3负极材料的性能测试方法 15

第三章： MoS₂三维结构的表征 17

3.1 表征 17

3.1.1 XRD 17

3.1.2 场发射 18

3.1.3 TEM 20

3.1.4 BET 21

3.2锂电性能测试 22

3.2.1恒电流充放电曲线与CV曲线 22

3.2.2稳定性曲线的测定 24

3.3.3倍率曲线 25

3.3.4 阻抗谱分析 26

第四章：结果分析与讨论 28

4.1性能对比 28

4.2原因分析与总结 28

参考文献： 29

致谢 32

第一章：绪论

1.1选题背景及意义

能源是人类发展史中与人类社会最密不可分的一个因素^[1-2]，自古以来，每一次的能源革命都推动着人类突破性的技术革命。从原始社会的茹毛饮血到农耕火种，再到风力、畜力、水力等自然能源的应用，最终，化石燃料被发现并使用，这才算是人类发展史真正意义上的开始^[3-4]，接着安迪生和特斯拉给我们带来了电能的新革命，再到当下最热门的新能源的开发利用。

其中石油资源给我们带来的好处是最不可估量的。

而伴随着科技的进步历史的发展，我们对石油资源的需求量越来越大，而这种非可再生能源注定有那么一天被我们用完^[5]。不仅如此，石油资源的使用再给我们带来巨大好处的同时，也带来了一系列令我们头疼的污染问题，所以当前人类正在加强对清洁、可再生能源的开发。我国单从资源总量上讲，石油资源相当丰富，但是人均资源却远远少于其他国家，未来能源缺失必将影响我国各个方面的发展^[6]。为了解决能源问题，我国也正在推广新能源，比如太阳能、潮汐能等清洁能源，但是由于我国地域的广袤，能源生产地和使用地的不匹配，以锂离子电池为主的绿色储能装置也迎来了蓬勃发展。

锂离子电池相比于传统电池而言具备很多优点，比如它的能量更高、重量更轻、无污染、使用寿命更长、功率密度更大、循环利用率更高、更加绿色环保等。现在商业化的锂离子电池一般用石墨烯等碳材料作为负极，这类传统材料却有一些的缺点，比如容量小，生产条件高成本高，易生成较大电解质膜影响快速充放电，还会生成枝晶刺穿隔膜造成安全隐患。因此，寻找一些用来新型负极材料替代材料碳材料的需求越来越高。研究更长寿命、更加安全、更大容量的锂离子电池材料也必将成为研究重点。

1.2 MoS₂的结构与性质

商业的MoS₂呈银光金属色泽，而人工合成几大都是黑色的粉末，MoS₂为六方晶系，难容于一般的酸或碱。MoS₂最早是作为固体润滑剂^[7-9]，一般用在汽车或者机械工业产业中。MoS₂是一种二维层状过渡金属硫化物，这是一种典型的层状结构，弱范德华力用来连接其结构的层与层，而强共价键相互作用则用来连接每层MoS₂中的原子。每层MoS₂纳米片是由三层原子层构成，上下两层是S原子，而中间则是Mo原子。这种特殊的层状结构可以允许别的原子或分子嵌入，从而进行有效的储锂反应。

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