本發明涉及電化學嵌脫鎂離子電極及制備方法，尤其是用石墨烯納米片與MoS₂復合納米材料作為電化學活性物質制備的容量高和循環穩定的電化學嵌脫鎂離子電極，屬于新型化學電源和新能源材料領域。

背景技術

隨著現代移動通訊、新能源汽車的發展，新型的化學電源在現代社會中起到了越來越重要的作用。傳統的二次電池，如Ni-Cd電池、鉛酸蓄電池由于其含有有害的金屬元素Cd或Pb，其應用受到了限制和逐步被淘汰。雖然具有比能量高和環境友好等特點的鋰離子電池具已經廣泛應用于移動電話、筆記本電腦等便攜式移動電器，以及電動自行車和電動汽車的動力電源。但是由于鋰離子電池的安全性一直沒有好好的解決，鋰離子電池作為動力電池的應用依然還存在很多工作要做。新能源汽車的發展迫切需要尋找一種能替代現有二次電池體系的一種廉價、環境友好及高比容量的二次電池。由于二價鎂離子具有較小的半徑，可以電化學嵌入和脫嵌于一些層結構的化合物，如：無機過渡金屬氧化物、硫化物等。另外鎂還有資源豐富、價格低廉、比能量高、無毒和處理方便等優點。因此，鎂離子電池近年來也成為一個新的二次電池的研究體系。但是到目前為止作為高性能的電化學嵌脫鎂離子電極的材料還是很少。

石墨烯納米片以其獨特的二維納米片結構具有眾多獨特的物理、化學和力學等性能，具有重要的科學研究意義和廣泛的應用前景。石墨烯材料的發現者獲得2010年諾貝爾獎更是激發了人們對石墨烯材料研究的極大興趣。最近，石墨烯納米片及其復合材料的合成及其作為鋰離子電池負極材料的研究得到了廣泛關注。理論計算表明石墨烯納米片的兩側可以貯鋰，其理論容量為744mAh/g，是石墨理論容量(372mAh/g)的兩倍。Yoo等[Nano?Letters，2008，8(8)：2277-2282]研究顯示石墨烯有較高的電化學可逆貯鋰容量(540mAh/g)，石墨烯與碳納米管或C₆₀復合的復合材料的電化學貯鋰容量分別是730和784mAh/g。但是石墨烯納米片材料作為鎂離子電池電極的應用研究還未見報道。

另一方面，MoS₂具有類似石墨的典型層狀結構。MoS₂層狀結構為三明治的層狀結構，其層內是很強的共價鍵(S-Mo-S)，層間則是較弱的范德華力，層與層之間容易剝離。MoS₂較弱的層間作用力和較大的層間距允許通過插入反應在其層間引入外來的原子或分子，MoS₂的層間距大約為石墨層間距的2倍。這樣的特性使MoS₂材料可以作為插入反應的主體材料。因此，MoS₂是一種有發展前途的用于高性能電池的電化學儲鋰和電化學儲鎂的電極材料(G.X.Wang，S.Bewlay，J.Yao，et?al.，Electrochem.Solid?State，2004，7：A321；X.L.Li，Y.D.Li，J.Phys.Chem.B，2004，108：13893.)。現在大多數研究工作主要研究鋰離子和其他堿金屬離子的插入MoS₂和其他過渡金屬二硫化物材料，而研究其電化學嵌/脫鎂離子的性能報道比較少。Gregoy等(T.D.Gregoy，R.J.Hoffman，R.C.Winterton，J.Electrochem.Soc.，1990，137：775)在二丁基鎂的己烷溶液中，用化學法把鎂離子嵌入到MoS₂中，嵌入的鎂離子按電化學容量計算可以達到140mAh/g，但是沒有脫嵌現象。2004年X.L.Li等(X.L.Li，Y.D.Li，J.Phys.Chem.B，2004，108：13893)用水熱方法合成了納米結構的MoS₂納米材料，并研究了MoS₂納米材料的電化學性能。他們發現在充放電過程中鎂離子可以可逆地嵌入-脫嵌在熱處理的MoS₂納米材料中，但是其電化學可逆容量較低，大約只有25mAh/g的可逆容量。