硫纳米颗粒分散液的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种硫纳米颗粒分散液的制备方法及其应用，该方法主要为在溶液相中进行硫化氢和二氧化硫的氧化还原反应，在反应过程中通过外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使硫化氢和二氧化硫充分且均匀地混合在溶液相中进行反应。通过控制上述方法的反应参数，可以制得尺寸小而均一的硫纳米颗粒分散液。该硫纳米颗粒能够稳定存在于溶液相中，便于作为二次电源技术(锂硫电池等)的硫活性物质，电化学性能好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硫纳米颗粒分散液的制备方法，更加具体地说，属于硫纳米颗粒的制备及其应用领域。
技术介绍
硫是一种非金属单质，在自然界具有广泛的分布。作为自然的馈赠，硫已经被应用了数千年之久。硫在古代中国被列为重要的药材，并且，作为火药的主要成分，硫磺的提取与精制技术也获得了长足的发展，另外，随着近现代工业的发展，硫磺被主要应用于制备硫酸这一广泛应用的工业产品。硫化氢和二氧化硫都是大气的主要污染物，是工业生产和汽车尾气的重要排放物，对生态环境和人体健康都具有负面影响。因此，这两种有毒气体的无害化治理和有效再利用一直是亟待解决的课题之一。脱硫工艺的发展能够有效的缓解这些含硫废气的生成。然而，上述这些脱硫工艺只是解决了硫化氢与二氧化硫的脱除问题，而并未解决含硫废气的有效再利用问题。随着人类对新能源器件需求的不断提升，硫这一古老元素被注入了新的活力。当被用作锂硫电池等二次电池的正极材料时，其具有的高理论比容量(1675mAh/g)、成本低廉、对环境友好、电化学反应安全等优势，使锂硫电池成为未来发展的重要新能源器件。但是受限于硫导电性差、水溶性差等性质，给锂硫电池中电极材料的制备和电池整体性能的提升都带来了一定的困扰。硫纳米颗粒在改善这些问题方面具有巨大的优势，锂硫电池中硫纳米颗粒的引入能够有效提高硫活性物质与电子的接触面积，减小电子的传输路径，在一定意义上弥补硫导电性差的劣势。硫纳米颗粒的传统制备方法中，表面活性剂等其他辅助试剂的使用，会在所制备材料中引入杂原子，同时，材料尺寸不均一，不利于改善其电化学性能；人们还采用溶解再沉积的方法以期获得尺寸均一的纳米级硫颗粒，但是受限于硫的非极性，不易在水溶液中进行操作，极大的限制了其制备的可行性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可分散硫纳米颗粒及其制备方法，该硫纳米颗粒材料能够在水等溶剂中稳定存在，所得硫纳米颗粒尺寸均一，具有较好的电化学活性，将其作为一种硫活性物质来源，与碳材料结合后应用于锂硫电池中，性能良好。同时，该方法同步实现了硫化氢、二氧化硫等含硫废气的有效回收再利用。制备方法具有很强的可操作性，制备方法简单，成本低廉，具有很好的应用前景。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：硫纳米颗粒分散液的制备方法，在溶液相中进行硫化氢和二氧化硫的氧化还原反应，在反应过程中通过外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使硫化氢和二氧化硫充分且均匀地混合在溶液相中进行反应。上述制备方法通过下述不同方法予以实现：第一种方式：向溶液相中通入硫化氢至其饱和度的40～100％，优选为50～60％，控制硫化氢的通入量以稳定硫化氢在溶液相中的饱和度，伴随硫化氢的通入，以外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使硫化氢均匀且充分地混合在溶液相中；在保持溶液相处于搅拌状态的情况下，向溶液相中通入二氧化硫，以使二氧化硫气体与硫化氢充分反应。在此过程中控制硫化氢与二氧化硫的通入比例，以达到反应配比。第二种方式：向溶液相中通入二氧化硫至其饱和度的20～80％，优选为40～60％，控制二氧化硫的通入量以稳定二氧化硫在溶液相中的饱和度，伴随二氧化硫的通入，以外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使二氧化硫均匀且充分地混合在溶液相中；在保持溶液相处于搅拌状态的情况下，向溶液相中通入硫化氢，以使二氧化硫气体与硫化氢充分反应。在此过程中控制硫化氢与二氧化硫的通入比例，以达到反应配比。第三种方式：向溶液相中同时通入二氧化硫和硫化氢并以外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使二氧化硫和硫化氢均匀且充分地混合在溶液相中进行反应，其中，硫化氢和二氧化硫的流量比为2：1～1.5，优选为2：1～1.2。在此过程中控制硫化氢与二氧化硫的通入比例，以达到反应配比。采用这三种方式，均能制得平均粒径为6～40nm的硫纳米颗粒分散液。在这三种方式中，较优的为第一种，这是因为第一种方法制得的硫纳米颗粒具有更小的尺寸和粒径分布，表现出更好的电化学性能。进一步地，所述溶液相为去离子水、蒸馏水；或者水与易溶于水的小分子有机溶剂按照任意比例混合的混合液。由于产物硫不溶于水中，因此，溶液相优选为去离子水和蒸馏水，这样便于控制硫纳米颗粒的粒径，得到尺寸较小的硫纳米颗粒；此外，去离子水和蒸馏水还具有无毒、廉价等优点。但采用水与易溶于水的小分子有机溶剂按照任意比例混合的混合液制得的硫纳米颗粒分散液具有更好的稳定性。进一步地，维持溶液相的温度在40～80℃，优选60～70℃。温度的变化进一步影响硫化氢气体与二氧化硫气体在溶液相中的溶解度以及反应活性，通过精细调控，可保证硫纳米颗粒在成核过程中的热力学稳定性，实现纳米状态硫纳米颗粒的制备。进一步地，选择搅拌作为外力时，搅拌速度为100～1000r/min，优选100～300r/min；或者选择超声作为外力时，超声功率为100～500w，优选100～200w。在本专利技术的技术方案中，由于溶液扰动会对硫纳米颗粒的成核分布及晶核生长有影响，故选择超声或者搅拌作为外力，以驱动溶液相处于搅拌状态，保证纳米颗粒的生长尺寸限定在6～40纳米内。为了得到粒径较小且尺寸均一的纳米颗粒，并控制硫纳米颗粒在制备过程中的团聚现象，作为本专利技术进一步改进的技术方案，以单位体积1L的溶液相为基准，所述二氧化硫或者所述硫化氢的通入速度为1～30毫升/分钟，优选为5～20毫升/分钟。待溶液相呈现淡白色或乳黄色时，停止硫化氢二氧化硫的通入，所得溶液即为硫纳米颗粒分散液。作为本专利技术的另一技术方案，将上述方法制得的硫纳米颗粒分散液用于制备锂硫电池正极材料。与现有技术相比，本专利技术利用两者含硫的污染气体(硫化氢和二氧化硫)直接原位在溶液相中制备硫纳米颗粒，在实现硫的再生循环利用的同时，对于环境保护也起到了一定的促进作用，不仅可以通过调整气体的流量、外力驱动搅拌的状态来实现硫纳米颗粒的尺寸调整，还可得到保持相当长时间稳定存在状态的硫纳米颗粒分散液。与此同时，所得硫纳米颗粒分散液可以作为聚合反应或二次电源的硫物质的来源，因其硫纳米颗粒能够均匀稳定存在于溶液相中，有效地提高了实验的可操作性。当被用作二次电源技术(锂硫电池等)的硫活性物质时，因硫自身的纳米尺寸较小，可以有效地增大活性物质与电解液之间的接触面积，从而改善活性物质的利用率，增强硫电极的导电性，从而改善电极的电化学性能，当与碳基材或与导电聚合物材料复合时，能够有效实现硫纳米颗粒与碳基材的均匀负载，增大硫的利用率，提高电池的电化学性能。附图说明图1是本专利技术中实施例4制备的硫纳米颗粒的TEM照片。图2是本专利技术中实施例6制备的硫纳米颗粒的TEM照片。具体实施方式下面结合具体实施例和说明书附图进一步说明本专利技术的技术方案。实施例1:将硫化氢气体通入盛有100mL去离子水的容器内，在40℃情况下，保持20min，以单位体积(1L)的去离子水为基准，通入速度为5mL/min，以使部分硫化氢气体溶解在水中，饱和度为80％，该过程中保持充分搅拌300r/min，保证硫化氢气体的均匀分布；将二氧化硫气体通入到上述溶有硫化氢气体的水中，通入速度为8mL/min，同时保持硫化氢通入速度不变，两种气体共同通入水相中保持20min，待溶液呈现淡白色后，停止通入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫纳米颗粒分散液的制备方法，其特征在于：在溶液相中进行硫化氢和二氧化硫的氧化还原反应，在反应过程中通过外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使硫化氢和二氧化硫充分且均匀地混合在溶液相中进行反应。

【技术特征摘要】
1.一种硫纳米颗粒分散液的制备方法，其特征在于：在溶液相中进行硫化氢和二氧化硫的氧化还原反应，在反应过程中通过外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使硫化氢和二氧化硫充分且均匀地混合在溶液相中进行反应。2.根据权利要求1所述的硫纳米颗粒分散液的制备方法，其特征在于：步骤一，向溶液相中通入硫化氢至其饱和度的40～100％，控制硫化氢的通入量以稳定硫化氢在溶液相中的饱和度，伴随硫化氢的通入，以外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使硫化氢均匀且充分地混合在溶液相中；步骤二，在保持溶液相处于搅拌状态的情况下，向溶液相中通入二氧化硫，以使二氧化硫气体与硫化氢充分反应。3.根据权利要求1所述的硫纳米颗粒分散液的制备方法，其特征在于：步骤一，向溶液相中通入二氧化硫至其饱和度的20～80％，控制二氧化硫的通入量以稳定二氧化硫在溶液相中的饱和度，伴随二氧化硫的通入，以外力驱动溶液相，使溶液相处于搅拌状态，以使二氧化硫均匀且充分地混合在溶液相中；步骤二，在保持溶液相处于搅拌状态的情况下，向溶液相中通入硫化氢，以使二氧化硫气体与硫化氢充分反应。4.根据权利要求1所述的硫纳米颗粒分散液的制备方法，其特征在于：向溶液相中同时通入二氧化硫和硫化氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨全红，刘东海，张辰，吴思达，游从辉，吕伟，孔德斌，陶莹，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44