二硫化物納米材料的制備與應(yīng)用研究.pdf

1、納米材料具有著多種優(yōu)異的性能和功能?？茖W(xué)家們將其譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的材料。目前，納米材料在制備、表征和應(yīng)用方面已經(jīng)取得很大進(jìn)展。納米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)的MoS2和WS2由于其獨(dú)特的電性能和優(yōu)異的機(jī)械性能引起科學(xué)家關(guān)注。這類化合物是以金屬原子層排布在兩個(gè)硫原子片層形成三文治結(jié)構(gòu)，硫原子片層間通過范德華力相互作用，一層一層迭加而形成穩(wěn)定的MS2(M=Mo，W)結(jié)構(gòu)。 本項(xiàng)工作以硫鎢酸銨和硫鉬酸銨為原料，對(duì)其進(jìn)行熱分解得到了WS2和MoS2

2、納米材料，包括納米纖維、納米粉和納米管，研究了作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能以及作為潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)特性。 1.用仲鎢酸銨和鉬酸銨進(jìn)行酸溶、氨溶、硫化氫飽和、洗滌、結(jié)晶等過程制備出了硫鎢酸銨和硫鉬酸銨。采用非等溫TG-DTA、TG-DSC技術(shù)在不同線性升溫速率條件下研究硫鎢酸銨和硫鉬酸銨的熱分解動(dòng)力學(xué)。采用Dyle-Ozawa法、Kissinger法、多個(gè)升溫速率法計(jì)算熱分解過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，推導(dǎo)熱分解動(dòng)力學(xué)方程，用Ac

3、har微分法和Coast-Redfem積分法得出了熱分解過程的最概然機(jī)理函數(shù)。結(jié)果表明五種方法計(jì)算的活化能和頻率因子十分接近。硫鎢酸銨和硫鉬酸銨在氮?dú)庵杏袃蓚€(gè)失重階段，分別對(duì)應(yīng)(NH4)2MS4→MS3和MS3→MS2(M=W,Mo)，其中，硫鎢酸銨熱分解第一階段的機(jī)理函數(shù)為da/dt=9.02×1011×(1-a)e-13395.5/T，第二階段的機(jī)理函數(shù)為da/dt=5.187×1022×3/2[1/(1-a)1/3-11]-1e(

4、-33008/T)；硫鉬酸銨熱分解第一階段的機(jī)理函數(shù)為da/dt=8.33×107×2/3a-1/2e(-12006/T)，第二階段的機(jī)理函數(shù)為da/dt=6.76×1018×3/2(1-a)4/3[1/(1-a)1/3-1]-1e(-30866/T)。 2.得到了采用熱分解法制備WS2和MoS2納米纖維的最佳工藝參數(shù)。在920～1040℃和900～1000℃的范圍內(nèi)，氮?dú)饬魉贋?0mL/min的氣氛中，升溫速率為10～15K/

5、min，快速冷卻，所制備的納米纖維為單晶，平均直徑30～70nm，長(zhǎng)度為幾十微米，有的WS2納米纖維長(zhǎng)度大于100μm，邊緣光滑，表面存在結(jié)構(gòu)缺陷。納米纖維的生長(zhǎng)機(jī)理是VS機(jī)理。 3.采用熱分解法制備了WS2和MoS2納米粉。選用粒度為2～3μm的原料，加熱到850℃左右，恒溫1～2h，制得平均粒徑分別為100nm左右和10～30m的WS2和MoS2納米粉體。許多顆粒團(tuán)聚在一起，這種小顆粒是由更小的納米晶體組成。 4.以

6、陽(yáng)極氧化制得的多孔氧化鋁為模板，把硫鉬酸銨的DMF溶液浸入到氧化鋁的孔中，在氮?dú)鈿夥罩?，溫度?50℃左右，在多孔氧化鋁模板孔壁上沉積得到了MoS2納米管。其直徑為200nm左右，長(zhǎng)度為幾十微米。管的形貌主要受模板孔徑、熱處理溫度的影響。 5.以熱分解法制備的二硫化物納米纖維和納米粉作為活性物質(zhì)，以鋰片做對(duì)電極研究了WS2和MoS2納米材料的電化學(xué)性能，包括首次充放電容量、循環(huán)性能及在大電流密度下的電化學(xué)性能。結(jié)果表明WS2和M

7、oS2納米材料具有很高的首次充放電比容量-1000mAh/g以上，由于納米材料的團(tuán)聚影響了其循環(huán)性能，WS2和MoS2納米材料作為鋰離子電池負(fù)極的儲(chǔ)鋰機(jī)理可能是片層間儲(chǔ)鋰、納米級(jí)的微粒間隙儲(chǔ)鋰和納米級(jí)的結(jié)構(gòu)缺陷儲(chǔ)鋰。 6.在MS-800A四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上考察了WS2和MoS2納米材料作為潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)特性。采用EDS分析磨痕表面元素的化學(xué)狀態(tài)。采用掃描電子顯微鏡觀察磨痕表面形貌。通過對(duì)剛球磨斑直徑、PB值的變化分析了W

8、S2和MoS2納米材料的形貌、添加劑的含量對(duì)摩擦性能的影響。結(jié)果表明，顆粒狀納米材料的具有好的減磨性能和極壓性能，而纖維狀納米MoS2和納米WS2則在一定程度上增加了摩擦副的磨損，但對(duì)增加極壓性能影響不大。隨著添加劑含量的增加，潤(rùn)滑油的減磨性降低，極壓性提高。納米MoS2和納米WS2對(duì)摩擦副的減磨和極壓性能改善的原因在于他們被吸附于摩擦副表面，在摩擦過程中，納米MoS2和WS2分解，生成含Mo和W氧化物的氧化膜，起到改善摩擦學(xué)性能的作用