一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法

摘要

一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法，通过采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为表面活性剂，水热制备出纯相的二硫化钒微纳结构。本发明的优点是：该方法制备的VS2片层大小规则、堆积厚度均一，成功实现了二硫化钒的可控制备；该制备方法操作简单、可控性强、原料廉价易得，有利于大批量生产；该方法制备的二硫化钒能增强结构稳定性，暴露更多活性位点，有利于其在电化学、氧还原，氢析出等诸多领域的应用。

权利要求

1.一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)向超纯水中加入聚乙烯吡咯烷酮至完全溶解，得到聚乙烯吡咯烷酮溶液；

2)向上述聚乙烯吡咯烷酮溶液中加入钒源、硫源，搅拌至溶解，然后用浓度为12mol/L的氨水调节pH值为8-10；

3)将所得混合溶液置于水热装置中在120-200℃下反应10h-20h；

4)反应完全后，自然冷却至室温，所得产物经洗涤、离心、真空干燥，收集得到具有片层大小规则、堆积厚度均一的二硫化钒微纳结构。

2.根据权利要求1所述二硫化钒微纳结构材料的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量范围为6000-150000，聚乙烯吡咯烷酮与超纯水的用量比为0.1-2g：

15mL。

3.根据权利要求1所述二硫化钒微纳结构材料的制备方法，其特征在于：所述钒源为偏钒酸铵、原钒酸钠、五氧化二钒、三氯氧钒、四氯化钒、硫酸氧钒或三氯化钒；硫源为硫代乙酰胺、硫脲或硫单质；聚乙烯吡咯烷酮、钒源与硫源的用量比为0.1g-2g：1mol：2-5mol。

说明书

一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米材料及新能源材料技术，尤其涉及一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法。

背景技术

[0002] 环境污染和能源短缺问题成为人类面临的最严峻问题之一，寻找可再生能源及安全、可靠的能量存储技术已经变为非常重要的课题。锂离子电池具有电压高、容量大、无记忆效应和寿命长等优点被广泛应用于移动电话、数码相机和笔记本等电子产品，成为电池产业发展的重点。开发锂离子电池的关键之一是寻找合适的电极材料，使电池具有足够高的嵌锂量和很好的锂脱嵌能力，以保证电池的大比容量、高循环寿命及好的安全性能，因此，需要制备具有高效储能特性的电极材料，以满足上述要求。

[0003] 近年来，过渡金属硫属化合物(TMDs)因具有独特的电学性质和催化性质等，作为一类非常重要的材料可以广泛应用于能源领域，例如用作锂电池电极、催化剂等。其中二硫化钒(VS2)具备类石墨烯的层状结构，具有较大层间距，层与层之间的弱范德华力使材料易于剥离分层，可以可逆嵌入不同比例的锂等金属离子，用作电极材料能够极大地改善电极性质。此外，二硫化钒呈金属态，具有良好的导电性，在30℃附近可发生电荷密度波(Charge Density Wave，CDW)相变，故其在电化学、氢析出、光学、磁性材料、相变材料等诸多领域具备良好的应用前景。随着人们对二硫化钒性质了解的进一步深入，其应用领域和应用范围必将被大大拓宽，产生显著的社会和经济效益。

[0004] 由于钒存在多价态(II、III、IV、V等)，二硫化钒难以通过元素直接化合，多在有机溶剂中合成，制备方法操作复杂且很难控制钒的价态，难以得到VS2纯相和可控制备，造成结构和性能的不稳定。例如，在电化学领域中，VS2作为锂离子电池电极材料由于材料颗粒较大导致材料稳定性差，结构易于坍塌，致使容量衰减严重；在有关氢析出的研究中，形貌不规则的二硫化钒颗粒无法暴露更多活性位点，致使催化性能欠佳。因此，得到VS2纯相、实现二硫化钒的可控制备，成为研究其性能的关键。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法，该方法通过采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为表面活性剂，水热制备出纯相的二硫化钒微纳结构，制备的VS2片层大小规则、堆积厚度均一，成功实现了二硫化钒的可控制备。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法，包括以下步骤：

[0008] 1)向超纯水中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)至完全溶解，得到聚乙烯吡咯烷酮溶液；

[0009] 2)向上述聚乙烯吡咯烷酮溶液中加入钒源、硫源，搅拌至溶解，然后用浓度为12mol/L的氨水调节pH值为8-10；

[0010] 3)将所得混合溶液置于水热装置中在120-200℃下反应10h-20h；

[0011] 4)反应完全后，自然冷却至室温，所得产物经洗涤、离心、真空干燥，收集得到具有片层大小规则、堆积厚度均一的二硫化钒微纳结构。

[0012] 所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的重均分子量范围为6000-150000，聚乙烯吡咯烷酮与超纯水的用量比为0.1-2g：15mL。

[0013] 所述钒源为偏钒酸铵、原钒酸钠、五氧化二钒、三氯氧钒、四氯化钒、硫酸氧钒或三氯化钒；硫源为硫代乙酰胺、硫脲或硫单质；聚乙烯吡咯烷酮、钒源与硫源的用量比为0.1g-2g：1mol：2-5mol。

[0014] 本发明的优点是：该方法采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为表面活性剂，成功起到控制所得产物形貌及尺寸的作用，在水热条件下制备出纯相的二硫化钒微纳结构，VS2片层大小规则、堆积厚度均一，成功实现了二硫化钒的可控制备。该方法制备的二硫化钒能增强结构稳定性，暴露更多活性位点，有利于其在电化学、氧还原，氢析出等诸多领域的应用；该制备方法操作简单、可控性强、原料廉价易得，有利于大批量生产。

附图说明

[0015] 图1为实施例1制备的二硫化钒产物的XRD图。

[0016] 图2为实施例1制备的二硫化钒产物的SEM图。

[0017] 图3为实施例2制备的二硫化钒产物的SEM图。

[0018] 图4为实施例3未添加PVP制备的二硫化钒颗粒SEM图。

具体实施方式

[0019] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步描述，这些实施例只是用于说明本发明，并不限制本发明。

[0020] 实施例1：

[0021] 一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法，包括以下步骤：

[0022] 1)室温下，用50mL烧杯中量取15mL超纯水，将0.5g聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP-K30)置于烧杯中，经电磁搅拌器在800r/min搅拌30分钟至完全溶解；

[0023] 2)向上述溶液中加入0.2mmol偏钒酸铵及0.1mmol硫代乙酰胺继续搅拌至完全溶解，待完全溶解且溶解颜色至深棕色，逐滴加入浓度为12mol/L的氨水调节至pH值为9；

[0024] 3)将混合溶液置于25ml聚四氟乙烯内胆中，并将内胆置于高压水热釜中。在160℃反应15h后自然冷却至室温；

[0025] 4)取出黑色悬浊液置于50ml离心管中，使用离心机在9800r/min的转速下经超纯水及无水乙醇的下洗涤6次，取沉淀物质，使用真空烘箱在110℃、0.1MPa压力的条件下烘干8h，收集产物。

[0026] 对本实施例制备的产物进行X射线粉末衍射分析，如图1所示，所有峰位置与二硫化钒的衍射峰匹配良好且峰形尖锐，说明制得了高结晶度的纯相二硫化钒。图2是二硫化钒产物的扫描电子显微镜(SEM)图，从中可见二硫化钒形貌均一，为高度堆积的纳米片层结构，且尺寸均匀分布。

[0027] 实施例2：

[0028] 一种二硫化钒微纳结构材料的制备方法，包括以下步骤：

[0029] 1)室温下，用50mL烧杯中量取15mL超纯水，将0.5g聚乙烯吡咯烷酮K60(PVP-K60)置于烧杯中，经电磁搅拌器在800r/min搅拌30分钟至完全溶解；

[0030] 2)向上述溶液中加入0.2mmol偏钒酸铵及0.1mmol硫代乙酰胺继续搅拌至完全溶解，待完全溶解且溶解颜色至深棕色，逐滴加入浓度为12mol/L的氨水调节至pH值为9；

[0031] 3)将混合溶液置于25mL聚四氟乙烯内胆中，并将内胆置于高压水热釜中。在160℃反应20h后自然冷却至室温；

[0032] 4)取出黑色悬浊液置于50m离心管中，使用离心机9800r/min的转速下经超纯水及无水乙醇的下洗涤6次，取沉淀物质，使用真空烘箱在110℃、0.1MPa压力的条件下烘干8h，收集产物。

[0033] 图3为根据本实例制备的二硫化钒产物的扫描电子显微镜(SEM)图，可以看出二硫化钒形貌均一，呈现高分散的纳米片层结构，且尺寸均匀分布。反应时间的延长促进了产物的分散性，使二硫化钒纳米颗粒尺寸进一步减小，单颗粒片层数目降低。

[0034] 实施例3：

[0035] 本实例未添加聚乙烯吡咯烷酮，作为对比实例合成了花球状二硫化钒颗粒，步骤如下：

[0036] 1)室温下，用50mL烧杯中量取15mL超纯水，加入0.2mmol偏钒酸铵及0.1mmol硫代乙酰胺，搅拌至完全溶解，待完全溶解且溶解颜色至深棕色，逐滴加入浓度为12mol/L的氨水调节至pH值为9；

[0037] 2)将混合溶液置于25mL聚四氟乙烯内胆中，并将内胆置于高压水热釜中。在160℃反应20h后自然冷却至室温；

[0038] 3)取出黑色悬浊液置于50mL离心管中，使用离心机9800r/min的转速下经超纯水及无水乙醇的下洗涤6次，取沉淀物质，使用真空烘箱在110℃、0.1MPa压力的条件下烘干8h，收集产物。

[0039] 图4为根据本实例制备的二硫化钒产物的扫描电子显微镜(SEM)图，可见未添加聚乙烯吡咯烷酮的反应产物呈花球状，粒径约为30-40μm之间，局部形状不规则。

[0040] 上面所述的实施例仅是对本发明的实施方式进行描述，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中的技术研发人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。