金属单原子修饰的石墨烯材料、锂硫电池改性隔膜及制备方法和锂硫电池技术

本发明专利技术提供了一种金属单原子修饰的石墨烯材料、锂硫电池改性隔膜及制备方法和锂硫电池，涉及金属单原子材料技术领域。该制备方法先采用CO2激光器在空气气氛下对碳源基膜进行辐照，激光辐照的瞬态热冲击过程导致生成的石墨烯材料富含本征缺陷，形成三维蓬松泡沫结构，再将金属配合物的分散液滴加至石墨烯基膜表面，得到负载金属配合物的石墨烯基膜，然后采用CO2激光器在空气气氛下对其进行辐照，利用激光的快速辐照使原本的金属配合物中的单原子金属配位结构得以保留并掺入石墨烯晶格中，且石墨烯的三维蓬松泡沫结构还可以避免金属原子发生迁移团聚。本发明专利技术还提供了一种金属单原子修饰的石墨烯材料，采用上述制备方法制得。得。得。

【技术实现步骤摘要】
金属单原子修饰的石墨烯材料、锂硫电池改性隔膜及制备方法和锂硫电池


[0001]本专利技术涉及金属单原子材料
，尤其是涉及一种金属单原子修饰的石墨烯材料、锂硫电池改性隔膜及制备方法和锂硫电池。

技术介绍

[0002]金属单原子催化剂由于具有100％原子利用率、不饱和配位环境和独特的电子结构，因此在催化领域备受关注。特别的，在锂硫电池中，金属单原子催化剂可以有效加快多硫化锂转化反应动力学，抑制穿梭效应，从而显著提升电化学性能。
[0003]金属单原子的制备方法主要包括高温热解法、原子层沉积法、共沉淀法、吸附法等。高温热解法是先通过掺杂、吸附等方法制备含有目标金属的前驱体，再经过高温热解，这些前驱体中大量的杂原子作为活性位点锚定单个金属原子，形成配位。一般热解温度都在800℃以上，且需要惰性气氛保护，但是金属源在持续高温下结构非常不稳定，极易形成金属颗粒。原子层沉积法是将载体材料交替暴露于不同反应前驱体的脉冲蒸汽中，物质以自限制的方式逐个原子层地沉积在载体表面。此方法虽然精确可控，但是设备成本较高，不适合商业应用。共沉淀法是一种在含有两种或多种金属阳离子的溶液中加入沉淀剂，经沉淀反应得到不同活性物种均匀分散的负载型金属催化剂的制备方法。此方法过程中多个参数(如前驱体滴加速度、液滴大小、搅拌程度、反应温度、反应时间、pH等)对催化剂性能影响很大但是又难以精确控制，并且在沉淀过程中某些金属原子会被掩埋在载体聚集界面或包裹于载体中而不能参与反应，因而降低催化剂整体性能。吸附法通常使用某载体在某特定溶液或凝胶氛围下对金属前体进行吸附，然后蒸干溶剂后将催化剂进行煅烧。此方法需要根据金属前体种类选择带有特定官能团的载体，才能对金属进行有效吸附，并且团聚的金属颗粒通常需要经过酸刻蚀进行去除。因此，迫切需要找到一种低廉、简单、快速、易规模化应用的金属单原子材料的制备方法。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法，以缓解现有技术中存在的技术问题。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供一种金属单原子修饰的石墨烯材料，采用上述制备方法制得。
[0007]本专利技术的第三目的在于提供一种锂硫电池改性隔膜，采用上述金属单原子修饰的石墨烯材料制成。
[0008]本专利技术的第四目的在于提供上述锂硫电池改性隔膜的制备方法。
[0009]本专利技术的第五目的在于提供一种锂硫电池，包含上述锂硫电池改性隔膜。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0011]本专利技术提供了一种金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012](a)采用CO2激光器在空气气氛下对碳源基膜进行辐照以使碳源基膜表面形成石墨烯，得到石墨烯基膜；
[0013](b)将含有金属配合物的分散液滴加至所述石墨烯基膜表面，干燥，得到负载金属配合物的石墨烯基膜；其中，所述金属配合物为具有大环共轭结构的金属配合物；
[0014](c)采用CO2激光器在空气气氛下对所述负载金属配合物的石墨烯基膜的表面进行辐照，得到金属单原子修饰的石墨烯材料。
[0015]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(a)中，用于形成所述碳源基膜的材料包括聚酰亚胺和/或聚醚酰亚胺；
[0016]优选的，所述碳源基膜的厚度为100
‑
300μm。
[0017]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(b)中，所述含有金属配合物的分散液主要由金属配合物和分散剂制成；
[0018]优选的，步骤(b)中，所述金属配合物包括酞菁类金属盐和/或金属卟啉类配合物；
[0019]优选的，步骤(b)中，所述酞菁类金属盐包括酞菁铁、酞菁镍、酞菁钴、酞菁锌或酞菁铜中的任意一种或至少两种的组合；
[0020]优选的，步骤(b)中，所述金属卟啉类配合物包括卟啉铁、卟啉镍、卟啉钴、卟啉锌或卟啉铜中的任意一种或至少两种的组合；
[0021]优选的，步骤(b)中，所述分散剂包括乙醇、甲醇、N,N
‑
二甲基乙酰胺或二甲亚砜中的任意一种或至少两种的组合。
[0022]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(b)中，所述含有金属配合物的分散液中的金属配合物在所述石墨烯基膜的面密度为0.05
‑
0.2mg/cm2。
[0023]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(a)和(c)中，CO2激光器的波长为10.6μm；
[0024]优选的，步骤(a)和(c)中，CO2激光辐照所采用的激光功率分别独立的为4.8
‑
7.8W，所采用的激光扫描速度分别独立的为187.5
‑
250mm/s。
[0025]本专利技术提供了一种金属单原子修饰的石墨烯材料，采用上述金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法制得。
[0026]本专利技术提供了一种锂硫电池改性隔膜，包括隔膜基体以及设置于所述隔膜基体表面的改性层，其中，所述改性层采用上述金属单原子修饰的石墨烯材料制成。
[0027]本专利技术提供了一种锂硫电池改性隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0028]将所述金属单原子修饰的石墨烯材料、导电剂和粘结剂形成的浆料涂覆于所述隔膜基体表面后进行干燥，以形成改性层，得到锂硫电池改性隔膜。
[0029]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，所述导电剂包括科琴黑、Super P或乙炔黑中的任意一种；
[0030]优选的，所述粘结剂包括聚偏氟乙烯或LA133；
[0031]优选的，所述金属单原子修饰的石墨烯材料、导电剂和粘结剂的质量比为(6
‑
8)：(1
‑
3)：1，优选为7：2：1；
[0032]优选的，所述干燥为真空干燥；
[0033]优选的，所述真空干燥的温度为60
‑
80℃，真空干燥的时间为12
‑
24h；
[0034]优选的，所述改性层的厚度为8
‑
15μm。
[0035]本专利技术提供了一种锂硫电池，包括上述锂硫电池改性隔膜或采用锂硫电池改性隔膜的制备方法制得的锂硫电池改性隔膜。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：
[0037](1)本专利技术提供了一种金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法，先采用CO2激光器在空气气氛下对碳源基膜进行辐照，得到石墨烯基膜，再将含有金属配合物的分散液滴加至石墨烯基膜表面，得到负载金属配合物的石墨烯基膜，然后采用CO2激光器在空气气氛下对负载金属配合物的石墨烯基进行辐照，得到金属单原子修饰的石墨烯材料；其中，采用CO2激光器对碳源基膜进行辐照，激光辐照的瞬态热冲击过程导致碳源基膜表面生成的石墨烯富含本征缺陷，形成三维蓬松泡沫结构，采用CO2激光器对负载金属配合物的石墨烯基膜表面进行辐照，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)采用CO2激光器在空气气氛下对碳源基膜进行辐照以使碳源基膜表面形成石墨烯，得到石墨烯基膜；(b)将含有金属配合物的分散液滴加至所述石墨烯基膜表面，干燥，得到负载金属配合物的石墨烯基膜；其中，所述金属配合物为具有大环共轭结构的金属配合物；(c)采用CO2激光器在空气气氛下对所述负载金属配合物的石墨烯基膜的表面进行辐照，得到金属单原子修饰的石墨烯材料。2.根据权利要求1所述的金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，用于形成所述碳源基膜的材料包括聚酰亚胺和/或聚醚酰亚胺；优选的，所述碳源基膜的厚度为100
‑
300μm。3.根据权利要求1所述的金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述含有金属配合物的分散液主要由金属配合物和分散剂制成；优选的，步骤(b)中，所述金属配合物包括酞菁类金属盐和/或金属卟啉类配合物；优选的，步骤(b)中，所述酞菁类金属盐包括酞菁铁、酞菁镍、酞菁钴、酞菁锌或酞菁铜中的任意一种或至少两种的组合；优选的，步骤(b)中，所述金属卟啉类配合物包括卟啉铁、卟啉镍、卟啉钴、卟啉锌或卟啉铜中的任意一种或至少两种的组合；优选的，步骤(b)中，所述分散剂包括乙醇、甲醇、N,N
‑
二甲基乙酰胺或二甲亚砜中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求3所述的金属单原子修饰的石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述含有金属配合物的分散液中的金属配合物在所述石墨烯基膜的面密度为0.05
‑
0.2mg/cm2。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的金属单原子修饰的石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梦迪，董志亮，吴明铂，胡涵，牟佳伟，郭世伟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：