一种V3S4@V2C复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种V3S4@V2C复合材料及其制备方法与应用，所述复合材料包括具有MXene结构的V2C以及原位生成在该V2C表面的V3S4。所述V3S4具有三维NiAs晶体结构，所述V2C为二维材料，且V3S4原位生成在V2C上使两者构建成二维和三维异质晶体结构。本发明专利技术提供的V3S4@V2C复合材料中，V3S4具有三维NiAs晶体结构，而具有MXene结构的V2C是一种结构特殊的二维材料，并通过原位转化将三维的V3S4和二维的V2C构建异质晶体，具有良好导电性的V2C与具有催化固硫效果的V3S4相互协同能够有效地促进多硫化物在电极表面的扩散与转化，显著地提高锂硫电池的电化学性能。学性能。学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种V3S4@V2C复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及锂硫电池材料制备
，具体涉及一种针V3S4@V2C复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息旨在增加对本专利技术总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]对于日益严重的能源危机和温室效应，锂离子电池在缓解这些问题方面发挥着不可缺少的作用。为满足不断发展的市场需求，具有高能量密度（2600Wh
·
Kg
‑1）的锂硫电池被认为是有望取代锂离子电池的下一代理想储能设备。然而不同于商用锂离子电池正极的脱锂
‑
嵌锂机制，锂硫电池在充放电过程中伴随着复杂的多步固相
‑
液相反应，其中间产物可溶性的多硫化锂会穿过隔膜来到负极，即所谓的穿梭效应造成正极活性物质的损失，负极金属锂片的腐蚀等一系列问题，严重阻碍锂硫电池的商业化进展。
[0004]为从源头上解决穿梭效应，在过去几十年里，人们尝试使用各种非极性碳材料作为固硫基体（如多孔碳、碳纳米管、石墨烯等）来减少正极硫的损失。然而事实证明，仅通过微弱的范德华力来与多硫化物反应只能在一定程度上缓解穿梭效应。基于此，人们开始寻找能与多硫化物发生强相互作用的极性基底。实验证明V3S4是一种理想的正极固硫材料，不但对多硫化物有着很强的锚定作用，此外还有着极强的催化作用，促进了多硫化物向最终产物的转变。然而纯相的V3S4在循环过程中通常会出现较大的体积膨胀（导致明显的容量衰减）。此外，纯相的V3S4缓慢的电子传输动力学也会进一步影响电化学性能，因此人们往往构建纳米结构或是复合导电基体来对其进行改性。
[0005]2020年，Seung
‑
Deok Seo等人（Small，2020.16.2004806）报道了一种一步法生成层状多孔碳上附着VO2/V3S4的纳米复合材料，其用作锂硫电池的正极材料时可有效抑制穿梭效应，在1C电流密度下循环1000圈依然能保持665mAh
·
g
‑1的容量。2020年，Tianyu Tang等人（Science China Materials，2020.63.1910）报道了使用常用的高温气相硫化法制备出的石墨烯片上附着V3S4的纳米复合材料V3S4‑
G，其作为锂硫电池的正极材料时同样具有优异的电化学性能，然而其前驱体的制备方法过于繁琐，不利于后续的大规模生产。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的制备方法繁琐，V3S4在循环过程中易发生体积膨胀以及自身电子传输缓慢等问题，本专利技术提供一种V3S4@V2C复合材料及其制备方法与应用。该方法能够简便地在MXene 材料V2C上原位生成V3S4@V2C，得到的复合材料作为锂硫电池的正极材料时，能够有效地促进多硫化物在电极表面的扩散与转化，给锂硫电池带来优异的电化学性能。为实现上述目的，本专利技术公开如下技术方案：在本专利技术的第一方面，提供一种V3S4@V2C复合材料，其包括具有MXene结构的V2C以及原位生成在该V2C表面的粒状V3S4。
[0007]进一步地，所述V3S4具有三维NiAs晶体结构，所述V2C为二维材料，且V3S4原位生成在V2C上使两者构建成二维和三维异质晶体结构。
[0008]进一步地，所述V3S4@V2C复合材料为片状结构，其厚度为纳米级别。
[0009]在本专利技术的第二方面，提供一种V3S4@V2C复合材料的制备方法，包括步骤：将具有MXene结构的V2C与硫代乙酰胺置于同一反应环境中进行气相硫化处理，即得。
[0010]进一步地，所述制备方法中，具有MXene结构的V2C与硫代乙酰胺的质量比控制1:5~10之间，如1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5、1:10等。
[0011]进一步地，所述具有MXene结构的V2C的制备方法包括如下步骤：（1）提供含有氟化钠、盐酸的水溶液，加入V2AlC，混匀得到前驱体溶液。
[0012]（2）将所述前驱体溶液进行水热反应，分离出反应液中的固体产物，对其清洗后干燥，即得具有MXene结构的V2C。
[0013]进一步地，步骤（1）中，所述V2AlC、氟化钠的质量比控制0.4~0.9:1之间较佳，如0.4:1、0.45:1、0.5:1、0.55:1、0.6:1、0.65:1、0.72:1、0.75:1、0.8:1、0.85:1、0.9:1等。所述水的添加量能够使氟化钠充分溶解即可，所述、盐酸的添加量能够充分对V2AlC进行刻蚀即可，本专利技术不进行具体限定。优选地，所述水溶液以去离子水作为溶剂，以降低水中杂质离子对产物纯度的影响。
[0014]进一步地，步骤（1）中，所述的盐酸浓度不小于8mol/L。在本步骤，所述盐酸的主要作用是与氟化钠构成混合溶液对V2AlC进行刻蚀，而采用高浓度的盐酸有助于生成高纯度的V2C MXene。
[0015]进一步地，步骤（1）中，将氟化钠、盐酸溶解于水中，并静置不小于1小时后再加入所述V2AlC，然后搅拌不小于1小时后，进入下一步骤。以充分释放出刻蚀过程中产生的氢气，降低后续高温水热过程中的危险性。
[0016]进一步地，步骤（2）中，所述水热反应的温度保持在105~130℃之间较佳，相应的水热反应时间保持在40~55小时之间较佳。通过水热反应，原位生成的HF在高温高压条件下会加速与V2AlC的反应，并且由于处于密封的环境下，生成的 V2C纯度也更高，避免杂质对材料电化学性能的影响。
[0017]进一步地，步骤（2）中，所述干燥温度为50~80℃，干燥时间为10~24小时。通过干燥进一步地，步骤（2）中，将所述固体产物清洗至中性，防止残留的酸液对后续反应、仪器等造成不良影响。
[0018]进一步地，所述的气相硫化处理的方法为：在流动的保护气制造的隔氧环境下，将所述硫代乙酰胺置于保护气的上游，将所述V2C置于保护气的下游，然后进行加热保温处理，即得。
[0019]进一步地，所述加热保温的温度为600~700℃，保温时间为1~3小时。在气相硫化处理的过程中，硫代乙酰胺在高温下生成具有还原性的气体H2S，将V2C还原成V3S4。需要说明的是，保温温度不能过高，否则会导致V2C完全转化为V3S4。
[0020]进一步地，所述保护气包括惰性气体、氮气或氢氩混合气等中任一种。
[0021]在本专利技术的第三方面，提供所述V3S4@V2C复合材料在储能器件中的应用，如用于锂硫电池的正极材料等，其可以有效促进多硫化物在电极表面的扩散与转化，提高锂硫电池的电化学性能。
[0022]相较于现有技术，本专利技术具有以下有益而独特的效果：（1）本专利技术提供的V3S4@V2C复合材料中，粒状的V3S4具有三维NiAs晶体结构，而具有MXene结构的V2C是一种结构特殊的二维材料（即V2C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种V3S4@V2C复合材料，包括具有MXene结构的V2C以及原位生成在该V2C表面的粒状V3S4。2.根据权利要求1所述的V3S4@V2C复合材料，其特征在于，所述V3S4具有三维NiAs晶体结构，所述V2C为二维材料，且V3S4原位生成在V2C上使两者构建成二维和三维异质晶体结构。3.根据权利要求1或2所述的V3S4@V2C复合材料，其特征在于，所述V3S4@V2C复合材料为片状结构，其厚度为纳米级别。4.一种V3S4@V2C复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将具有MXene结构的V2C与硫代乙酰胺在同一反应环境中进行气相硫化处理，即得。5.根据权利要求4所述的V3S4@V2C复合材料的制备方法，其特征在于，所述具有MXene结构的V2C与硫代乙酰胺的质量比为1:5~10。6.根据权利要求4所述的V3S4@V2C复合材料的制备方法，其特征在于，所述的气相硫化处理的方法为：在流动的保护气制造的隔氧环境下，将所述硫代乙酰胺置于保护气的上游，将所述V2C置于保护气的下游，然后进行加热保温处理，即得；优选地，所述加热保温的温度为600~700℃，保温时间为1~3小时；优选地，所述保护气包括惰性气体、氮气或氢氩混合气中任一种。7.根据权利要求4
‑
6任一项所述的V3S4@V2C复合材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：原长洲，谭兆霖，侯林瑞，刘洋，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：