一种V3S4@C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@C复合材料及其制备方法与应用。所述复合材料包括一维棒状结构的碳基体以及原位生长在该碳基体表面上的V3S4成分的纳米片。所述制备方法包括如下步骤：（1）将含有V2C MXene材料、对苯二甲酸的溶液进行水热反应，分离出反应液中固体产物，干燥后备用。（2）将步骤（1）的所述固体产物进行退火处理，得到前驱体MIL

【技术实现步骤摘要】
一种V3S4@C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正极材料制备
，具体涉及一种V3S4@C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]锂硫电池由于其高的理论能量密度以及原材里料低廉、环保和储量丰富等优点，是极具潜力的下一代二次电池候选体系。然而由于其严重的穿梭效应，导致电池面临着活性物质利用率低和循环稳定性差等缺点。为解决上述问题，人们首先想到的是通过设计合理的具有纳米结构的碳材料，例如石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管等，来一定程度上抑制多硫化锂的溶解。然而，这一类非极性材料虽然有着良好的导电性，但对多硫化物的吸附与转化却有限。
[0004]越来越多的实验证明，极性材料特别是二维的过渡金属硫化物对多硫化锂有着极强的化学吸附与催化作用。例如，Ruihu Wang等人（Zhibin Cheng,Zhubing Xiao,Hui Pan, et al. Elastic Sandwich
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Type rGO
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VS2/S Composites with High Tap Density: Structural and Chemical Cooperativity Enabling Lithium
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Sulfur Batteries with High Energy Density, Advanced Energy Materials, 2017.8.1702337. doi:10.1002/aenm.201702337）报道了一种三明治结构的rGO
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VS2复合材料，由于VS2的极性吸附以及催化作用，在0.2C的电流密度下，每圈的容量损耗仅为0.11~0.27%。V3S4拥有独特的扭曲的NiAs型结构，通常由VS2单层构件和额外的V原子连接两个相邻层，这将为电子/离子电荷载体提供多维通道，并同时改善其扩散速率。此外，具有独特晶体结构的V3S4同样对多硫化锂有着极强的吸附与催化作用。2020年，Tianyu Tang等人（Tianyu Tang, Teng Zhang, Lina Zhao, et al. Multifunctional V3S4‑
nanowire/graphene composites for high performance Li
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S batteries. Science China Materials, 2020.63.1910 .doi:10.1007/s40843
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020
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1313
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6）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，另外，现有的V3S4和碳材料形成的复合材料的电化性能还有待于进一步提高。

技术实现思路

[0005]针对上述的难问题，本专利技术提供一种V3S4@C复合材料及其制备方法与应用，这种复合材料作为锂硫电池的正极材料时可有效抑制穿梭效应，提升电池的循环性能，而且本专利技术提出的V3S4@C复合材料的制备方法更加简单高效。为实现上述目的，本专利技术公开如下技术方案。
[0006]在本专利技术的第一方面，公开一种V3S4@C复合材料，其包括一维棒状结构的碳基体以
及原位生长在该碳基体表面上的V3S4成分的纳米片。
[0007]进一步地，其中部分所述V3S4纳米片插接在所述碳基体上。本专利技术的这种复合材料不仅具有优异的电子电导性，而且有着良好的催化固硫效果，作为锂硫电池的正极材料时可有效抑制穿梭效应，提升电池的循环性能。
[0008]进一步地，所述碳基体的直径在1μm以下。
[0009]在本专利技术的第二方面，公开一种V3S4@C复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将含有V2C MXene材料、对苯二甲酸（BDC）的溶液进行水热反应，分离出反应液中固体产物，干燥后备用。
[0010]（2）将步骤（1）的所述固体产物进行退火处理，得到一种钒基的金属有机框架（MOF）：V(OH)(BDC)
·
x(H2BDC)，记作前驱体MIL
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47as。
[0011]（3）对步骤（2）的所述前驱体MIL
‑
47as进行气相硫化处理，即得V3S4@C复合材料。
[0012]进一步地，步骤（1）中，所述V2C MXene材料、对苯二甲酸的物质的量比控制在1：（5~10）之间较佳。在本专利技术中，所述V2C MXene作为钒源，对苯二甲酸作为有机配体。
[0013]进一步地，步骤（1）中，所述水热反应的温度控制在150~220℃之间、时间控制在8~14小时之间。在本步骤中，V2C MXene会在溶液中释放出不同价态的钒离子，在高温下，三价的钒离子会作为中心离子与对苯二甲酸反应生成前驱体MIL
‑
47as。
[0014]进一步地，步骤（1）中，离心分离出所述反应液中的固体产物，然后在50~80℃烘干10~24小时，即得干燥的固体产物，以便于进行退火处理。
[0015]进一步地，步骤（2）中，所述退火处理的温度控制在260~300℃，时间控制在20~26小时之间较佳。在本步骤中，多余的对苯甲二甲酸会在高温下被清除，同时MIL
‑
47as的结晶度会更高。
[0016]进一步地，步骤（3）中，所述气相硫化处理的温度控制在600~700℃，时间控制在1~3小时之间较佳。在本步骤中，前驱体MIL
‑
47as的中心钒离子会在高温下原位生成二维片状V3S4，相应的有机配体对苯二甲酸则会衍生成碳。
[0017]进一步地，步骤（3）中，所述气相硫化处理的采用的硫源包括：硫代乙酰胺、硫粉等中的任意一种。
[0018]进一步地，步骤（3）中，所述气相硫化处理的方法包括：将所述前驱体MIL
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47as置于加热炉中，在该前驱体MIL
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47as的上游设置硫源，在流动的氮气或惰性气氛条件下加热使硫源形成气相硫并流经所述前驱体MIL
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47as，即可。
[0019]进一步地，所述前驱体MIL
‑
47as与硫源的质量比控制在1：（5~10）之间较佳。
[0020]在本专利技术的第三方面，公开所述V3S4@C复合材料在储能器件、储能材料中的应用，优选作为锂硫电池的正极材料，可有效抑制锂硫电池存在穿梭效应，提升电池的循环性能。
[0021]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）相对于现有的一些V3S4和碳材料形成的复合材料，由于本专利技术以V2C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种V3S4@C复合材料，其特征在于，所述复合材料包括一维棒状结构的碳基体以及原位生长在该碳基体表面上的V3S4成分的纳米片。2.根据权利要求1所述的V3S4@C复合材料，其特征在于，其中部分所述V3S4纳米片插接在所述碳基体上；优选地，所述碳基体直径在1μm以下。3.一种V3S4@C复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将含有V2C MXene材料、对苯二甲酸的溶液进行水热反应，分离出反应液中固体产物，干燥后备用；（2）将步骤（1）的所述固体产物进行退火处理，得到钒基的金属有机框架（MOF）：V(OH)(BDC)
·
x(H2BDC)，记作前驱体MIL
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47as；（3）对步骤（2）的所述MIL
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47as进行气相硫化处理，即得V3S4@C复合材料。4.根据权利要求3所述的V3S4@C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述V2C MXene材料、对苯二甲酸的物质的量比为1：（5~10）。5.根据权利要求3所述的V3S4@C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述水热反应的温度为150~220℃、时间为8~14小时；优选地，步骤（1）中，离心分离出所述反应液中的固体产物，然后在50~80℃烘干10~24小时，即得干燥的固体产物。6...

【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：