本发明专利技术属于锂硫电池正极宿主材料制备技术领域，具体公开了一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料、制备方法及其应用。本发明专利技术基于碳量子点的限域作用提供了一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料，综合了小尺寸高效催化剂与易浸润自支撑结构的优势，所得材料具有以下优点：碳量子点限域的小尺寸催化剂均匀稳定分布于碳纤维中，可高效催化多硫化物转化，有效缓解穿梭效应并提高循环稳定性；材料易浸润，适用于超高载硫且贫电解液的条件，并在苛刻条件下表现出优异的容量性能和库伦效率。本发明专利技术将Ni@NCDs与静电纺丝技术相结合，合成工艺步骤少，操作简单，性价比高，能够有效提升贫电解液条件下LSBs的性能。LSBs的性能。LSBs的性能。
【技术实现步骤摘要】
一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料、制备方法及其应用
[0001]本专利技术属于锂硫电池正极宿主材料制备
，具体涉及一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料、制备方法及其应用，尤其是适用于高载硫且贫电解液锂硫电池的自支撑纺丝正极宿主材料及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]锂硫电池(LSBs)因具有高达2600Wh/kg的理论能量密度而受到广泛研究和关注。自2009年Narza课题组利用碳作为硫的宿主材料显著提升硫正极性能以来，研究者们通过进一步优化宿主材料设计了许多具有优良电化学性能的硫正极，极大地推动了LSBs的发展。然而，基于这些宿主材料的正极通常需要在电极液充足的条件下(>20μL/mg
s
)才能展示出优良的电化学性能，严重影响着LSBs的能量密度，成为阻碍其实用化的主要原因之一。
[0003]在贫电解液LSBs中，少量的溶解的多硫化物即可引起较大的浓度变化，加剧“穿梭效应”，因此需要宿主材料具有充足的吸附表面抑制“穿梭效应”，保障其循环稳定性。然而，具有充足表面的宿主材料无法被少量的电解液浸润；而硫无法与锂离子在未浸润处反应，从而严重影响其比容量。此外，电极液在传统粉末电极结构难以渗透，进一步加剧贫电解液LSBs中宿主材料表面的浸润问题。因此，降低电解液用量需要基于易浸润且吸附面积较低的宿主材料而有效抑制“穿梭效应”。
[0004]多硫化物缓慢的转化过程是造成多硫化物在电解液中聚集进而引起“穿梭效应”的根本原因。因此，可以加速这一过程的催化材料能够基于低的吸附面积而有效抑制“穿梭效应”。然而，催化材料在低比表面积材料中易团聚、流失，影响其催化性能。因此，实现催化剂在低比表面积材料上的均匀负载是降低电解液用量的关键途径之一。
[0005]中国专利CN109037554A公开了一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜，制备方法包括以下步骤：(1)将聚丙烯腈和镍盐加入N,N
‑
二甲基乙酰胺溶液中使其完全溶解，得到纺丝液；(2)采用静电纺丝技术将纺丝液制备成前驱体纤维膜，前驱体纤维膜依次经预氧化处理、热处理，得到Ni/C复合纳米纤维膜。将该纳米纤维膜应用到锂硫电池中，充放电时可以利用多孔碳对多硫化物的吸附、金属Ni对多硫化物的催化，协同提高锂硫电池的倍率性能。然而，该专利制备的Ni/C复合纳米纤维膜仅用作隔膜插层，不能直接作为自支撑正极宿主材料，工艺复杂，使用成本高。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是提供一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料，具有以下优点：
①
碳量子点限域的小尺寸催化剂均匀稳定分布于碳纤维中；
②
可以高效催化多硫化物转化并提高循环稳定性；
③
易浸润，适用于超高载硫且贫电解液的条件(低E/S：低电解液/硫)；
④
合成工艺步骤少，操作简单，性价比高。
[0007]同时，本专利技术还提供一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料的
制备方法。
[0008]最后，本专利技术再提供一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料在制备锂硫电池(LSBs)中的应用。
[0009]为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0010]一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料(Ni@NCDs
‑
CNF)，所述硫正极宿主材料包括自支撑纺丝碳纳米纤维(CNF)以及均匀分布于自支撑纺丝碳纳米纤维的负载镍的氮掺杂碳量子点(Ni@NCDs)；所述负载镍的氮掺杂碳量子点中，镍与氮掺杂碳量子点(NCDs)之间存在Ni
‑
N键。
[0011]作为一种优选的实施方式，所述负载镍的氮掺杂碳量子点与自支撑纺丝碳纳米纤维的质量比为0.1
‑
1:1.2。进一步优选地，负载镍的氮掺杂碳量子点与自支撑纺丝碳纳米纤维的质量比为1:2.4。
[0012]作为一种优选的实施方式，所述负载镍的氮掺杂碳量子点中，镍(单质镍)与氮掺杂碳量子点的质量比为1:1
‑
5。进一步优选地，镍与氮掺杂碳量子点的质量比为1:3。
[0013]作为一种优选的实施方式，所述负载镍的氮掺杂碳量子点的尺寸<20nm。所述氮掺杂碳量子点包含N、C、O等元素。
[0014]本专利技术基于碳量子点的限域作用提供了一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝碳纳米材料，综合了小尺寸高效催化剂与易浸润自支撑结构的优势，可用作LSBs正极宿主材料。
[0015]一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016](1)氮掺杂碳量子点(NCDs)的制备
[0017]以柠檬酸为碳源、乙二胺为氮源，采用水热法制备氮掺杂碳量子点；
[0018](2)负载镍的氮掺杂碳量子点(Ni@NCDs)的制备
[0019]将氮掺杂碳量子点、可溶性镍盐溶于水中，采用水热法制备负载镍的氮掺杂碳量子点；
[0020](3)自支撑纺丝硫正极宿主材料(Ni@NCDs
‑
CNF)的制备
[0021]将负载镍的氮掺杂碳量子点、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与溶剂共混制备纺丝液，之后采用静电纺丝技术制备复合纳米纤维；
[0022]将复合纳米纤维压片进行预氧化稳定处理，之后进行热处理，即得。
[0023]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，所述水热法制备氮掺杂碳量子点的反应温度为180
‑
220℃，水热时间为3
‑
8h。进一步优选地，反应温度为200℃，水热时间为5h。
[0024]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，所述柠檬酸与乙二胺的质量比为2
‑
4:1。进一步优选地，柠檬酸与乙二胺的质量比为3.2:1。
[0025]作为一种优选的实施方案，步骤(1)中，采用自下而上的水热方法制备氮掺杂碳量子点：首先称取4.8g无水柠檬酸，完全溶解于50ml去离子水中，然后用移液器移取1.675mL乙二胺快速加入无水柠檬酸溶液，搅拌均匀后将混合溶液转移到100mL的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在200℃下水热5h，反应后的溶液自然冷却至室温，用真空旋转蒸发仪浓缩后置于冰箱冷冻12h，之后冷冻干燥得到深红棕色粉末样品，即为氮掺杂碳量子点(NCDs)。
[0026]作为一种优选的实施方式，步骤(2)中，所述氮掺杂碳量子点与可溶性镍盐的质量
比为1
‑
5:1。进一步优选地，氮掺杂碳量子点与可溶性镍盐的质量比为3:1。
[0027]作为一种优选的实施方式，步骤(2)中，所述可溶性镍盐为氯化镍、硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍等中的一种或多种。进一步优选地，可溶性镍盐为氯化镍。
[0028]作为一种优选的实施方式，步骤(2)中，所述水热法制备负载镍的氮掺杂碳量子点的反应温度为1本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料，其特征在于：所述硫正极宿主材料包括自支撑纺丝碳纳米纤维，以及均匀分布于自支撑纺丝碳纳米纤维的负载镍的氮掺杂碳量子点；所述负载镍的氮掺杂碳量子点中，镍与氮掺杂碳量子点之间存在Ni
‑
N键。2.根据权利要求1所述的均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料，其特征在于：所述负载镍的氮掺杂碳量子点与自支撑纺丝碳纳米纤维的质量比为0.1
‑
1:1.2。3.根据权利要求1所述的均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料，其特征在于：所述负载镍的氮掺杂碳量子点中，镍与氮掺杂碳量子点的质量比为1:1
‑
5。4.根据权利要求1所述的均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料，其特征在于：所述负载镍的氮掺杂碳量子点的尺寸<20nm；所述氮掺杂碳量子点至少包含N、C、O元素。5.一种如权利要求1
‑
4中任一项所述的均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)氮掺杂碳量子点的制备以柠檬酸为碳源、乙二胺为氮源，采用水热法制备氮掺杂碳量子点；(2)负载镍的氮掺杂碳量子点的制备将氮掺杂碳量子点、可溶性镍盐溶于水中，采用水热法制备负载镍的氮掺杂碳量子点；(3)自支撑纺丝硫正极宿主材料的制备将负载镍的氮掺杂碳量子点、聚乙烯吡咯烷酮与溶剂共混制备纺丝液，之后采用静电纺丝技术制备复合纳米纤维；将复合纳米纤维压片进行预氧化稳定处理，之后进行热处理，即得。6.根据权利要求5所述的均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，采用自下而上的水热法制备氮掺杂碳量子点，所述水热法的反应温度为180
‑
220℃，水热时间为3
‑
8h；优选地，反应温度为200℃，水热时间为5h；和/或，所述柠檬酸与乙二胺的质量比为2
‑
4:1，优选地，质量比为3.2:1。7.根据权利要求5所述的均匀负载小尺寸催化剂的自支撑纺丝硫正极宿主材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述氮掺杂碳量子点与可溶性镍盐的质量比为1
‑
5:1；优选地，质量比为3:1；和/或，所述可溶性镍盐为氯化镍、硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍中的一种或多种，优选为氯化镍；和/或，所述水热法的反应温度为180
‑
220℃，水热时间为5
【专利技术属性】
技术研发人员：郭峻岭，裴华宇，杨泉，赵思元，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：
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