一种可吸附和催化多硫化物转化的双功能材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种可吸附和催化多硫化物转化的双功能材料及其制备方法。通过调控沸石咪唑骨架(ZIFs)的金属位点和比例，设计了一种新型的可吸附和催化多硫化物转化的功能材料。ZIFs利用Zn金属作为物理屏障，阻碍了其它过渡金属(如Co、Ni、Fe、Cu)在高温碳化过程的团聚，提高了对金属原子的利用率，形成了更多高活性的过渡金属

【技术实现步骤摘要】
一种可吸附和催化多硫化物转化的双功能材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂硫电池
，具体涉及一种可吸附和催化多硫化物转化的双功能材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂硫电池具有高的理论比容量(1675mAh g
‑1)和能量密度(2600mAh g
‑1)，被认为是一种有前景高比能储能器件的候选者，但是硫正极的缺陷限制了锂硫电池的商业化应用。首先，充放电产生的中间产物可溶性多硫化物由于浓度梯度，会从正极扩散至负极，与负极金属锂发生副反应，造成活性材料的不可逆损失。其次，绝缘性的单质硫和最终放电产物(Li2S)会导致动力学过程缓慢，增加电池极化，同时固态放电产物Li2S在电极上沉积并难以激活，造成电池容量衰减。而催化剂的研究应用是一个解决上述问题的有效途径。合理高效的催化剂能同时捕获多硫化物和加速其转化，高效地抑制了穿梭效应，提高硫利用率。在发展良好的催化剂中，具有过渡金属
‑
氮配位位点(TM
‑
N
x
)的金属和氮共掺杂碳复合材料(TM
‑
N
‑
C)因其成本低、催化性能显著，被认为是一种很有前途的催化剂。然而，过渡金属易在高温下发生团聚，这会导致TM
‑
N
x
活性位点数量的急剧减少，最终降低催化活性。沸石咪唑骨架(ZIFs)被认为是热解合成过渡金属和N掺杂多孔碳复合材料的合适前驱体，可通过调控金属位点的组成和比例合成负载不同金属活性位点的多孔碳材料。

技术实现思路

[0003]鉴于以上讨论，本文提供了一种功能化多孔碳材料的制备方法，该材料能同时捕获多硫化物和加快其氧化还原动力学过程。通过调控沸石咪唑骨架上的金属位点的组成和比例，合成了具有TM
‑
N
x
位点的多孔碳材料，并进一步将该材料用以制备隔膜涂层。
[0004]技术方案
[0005]制备可吸附和催化多硫化物转化的双功能材料的具体步骤如下：
[0006]步骤1：将不同的金属硝酸盐充分溶解在溶剂中，搅拌、超声，使其分散均匀得到溶液A；将2
‑
甲基咪唑充分溶解在溶剂中，得到溶液B；
[0007]步骤2：将溶液A加入溶液B中，在25℃下缓慢搅拌18h得到混合溶液，离心洗涤，干燥，得到具有不同金属位点的沸石咪唑骨架前驱体颗粒。
[0008]步骤3：将步骤2所制备的ZIFs前驱体在氮气氛围中煅烧，煅烧时间为2h，煅烧温度为1000℃，升温速率为5℃min
‑1。最终得到负载不同金属位点的功能材料。
[0009]步骤1中：
[0010]金属硝酸盐为纯六水硝酸锌或六水硝酸锌和六水硝酸钴/镍/铁/铜的混合物；
[0011]混合物中锌盐与其它盐类的摩尔比为20：1；
[0012]溶剂为甲醇、乙醇、去离子水；
[0013]添加的金属硝酸盐与2
‑
甲基咪唑的摩尔比为1：4、1:8、1：16和1：32。
[0014]步骤2：
[0015]优选离心采用离心机，转速为6000rpm～10000rpm，时间为3min～6min；
[0016]优选洗涤所用的溶剂为甲醇；
[0017]优选干燥温度为60℃～80℃。
[0018]与现有技术相比，本专利技术有以下优点：
[0019]1、本专利技术通过设计ZIFs前驱体的金属位点的组成和比例，制备了具有不同金属位点的功能化多孔碳材料。利用Zn金属构建物理阻隔，防止高温下Co/Ni/Fe/Cu的团聚作用，使其分散均与，获得更多的高活性金属
‑
氮配位位点。同时，选取1000℃煅烧温度，让低沸点的Zn完全挥发，使材料获得了高的比表面积和大的孔体积，有利于暴露更多的活性位点和为锂离子的传输提供路径。
[0020]2、本专利技术制备的负载金属
‑
氮配位位点的功能化碳材料，不仅能强有力地吸附液态多硫化物，而且可加快多硫化物氧化还原的动力学过程，最大程度地抑制穿梭效应和降低活性物质的损失。将制备的功能化碳材料用以构建隔膜涂层时，锂硫电池显示出了一个优良的电化学性能，电池的倍率性能和循环稳定性都有所提高。
附图说明
[0021]图1a为实例1所述CoZn
‑
ZIFs前驱体的SEM图。
[0022]图1b为实例1所述CoZn
‑
NC的SEM图。
[0023]图2为实例1所述CoZn
‑
NC的XRD图。
[0024]图3为实例1所述CoZn
‑
NC的BET图。
[0025]图4为实例1所述CoZn
‑
NC的XPS光谱图。
[0026]图5为实例1与对比例1对多硫化物吸附实验的光学照片。
[0027]图6为实例1与对比例1对多硫化物催化作用的循环伏安图。
[0028]图7为实例1与对比例1在锂硫电池中的倍率性能图。
[0029]图8为实例1与对比例1在锂硫电池中的循环性能图。
具体实施方式
[0030]以下所述是本专利技术实施例可选的实施方式，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术实施例原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也视为本专利技术实施例的保护范围。
[0031]实施例1
[0032]制备负载Co
‑
N
x
位点的双功能材料的具体步骤如下：
[0033]步骤1：将六水硝酸钴和六水硝酸锌以摩尔比为1：20的量充分溶解在溶剂中，搅拌、超声，使其分散均匀得到溶液A；将2
‑
甲基咪唑充分溶解在溶剂中，得到溶液B；
[0034]步骤2：将溶液A加入溶液B中，在25℃下缓慢搅拌18h得到混合溶液，离心洗涤，干燥，得到具有具有Zn、Co双金属位点的CoZn
‑
ZIFs前驱体颗粒。
[0035]步骤3：将步骤2所制备的ZIFs前驱体在氮气氛围中煅烧，煅烧时间为2h，煅烧温度为1000℃，升温速率为5℃min
‑1。最终得到负载有Co
‑
N
x
位点的功能材料(CoZn
‑
NC)。
[0036]对比例1
[0037]制备纯碳材料的具体步骤如下：
[0038]步骤1：将六水硝酸锌充分溶解在溶剂中，搅拌、超声，使其分散均匀得到溶液A；将2
‑
甲基咪唑充分溶解在溶剂中，得到溶液B；
[0039]步骤2：将溶液A加入溶液B中，在25℃下缓慢搅拌18h得到混合溶液，离心洗涤，干燥，得到具有具有Zn金属位点的ZIFs前驱体颗粒。
[0040]步骤3：将步骤2所制备的ZIFs前驱体在氮气氛围中煅烧，煅烧时间为2h，煅烧温度为1000℃，升温速率为5℃min
‑1。最终得到氮掺杂碳材料。
[0041本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可吸附和催化多硫化物转化双功能材料的制备，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将不同的金属硝酸盐充分溶解在溶剂中，搅拌、超声，使其分散均匀得到溶液A；将2
‑
甲基咪唑充分溶解在溶剂中，得到溶液B；步骤2：将溶液A加入溶液B中，在25℃下缓慢搅拌18h得到混合溶液，离心洗涤，干燥，得到具有不同金属位点的沸石咪唑骨架前驱体颗粒，步骤3：将步骤2所制备的ZIFs前驱体在氮气氛围中煅烧，煅烧时间为2h，煅烧温度为1000℃，升温速率为5℃min
‑1，最终得到负载不...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖欢欢，唐武，高剑，樊聪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：