一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用技术

一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用，以金属有机框架材料ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于新能源材料与器件
，尤其涉及一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着环境治理和经济发展共存目标的提出，发展新型清洁环保能源已成为众多科研工作者竞相争夺的制高点。其中，电化学储能技术已成为优化能量传输、消纳清洁能源、保障电网稳定运行及改善电能质量等的关键支撑技术。作为新一代高性能储能器件装置，锂离子电池因自放电小、能量密度高及循环寿命长已在智能电动汽车和各类便携式电子产品等领域中得到广泛应用。然而，锂资源的储量稀缺、地缘分布不均以及储能成本不断攀升等因素严重限制了锂离子电池在未来各类储能领域中的长足发展。钠与锂为同主族元素，二者具有相似的储能机制。此外，钠因储量丰富、溶剂化效应低及宽温度范围适应性等优势，使得钠离子电池成为未来大规模、低成本储能领域替代锂离子电池最具潜力的候选者。
[0003]钠离子电池作为新型的储能电池体系，拥有良好的应用前景。然而，钠离子半径(0.102nm)比锂离子半径(0.076nm)大，较大的离子半径导致很多适用于储锂的电极材料并不适用于储钠，缺乏性能优异的储钠电极材料严重制约着钠离子电池的发展。钠离子电池负极材料作为电池的核心组成部分之一，负责提供低氧化还原电对和存储钠离子，对电池工作电压和容量产生直接影响，因而其电化学特性和结构稳定性对电池的能量密度、循环稳定性及安全性能至关重要。然而，目前广泛应用的碳基材料存在储钠容量低、循环性能差等缺点，因此合理设计并构建高性能钠离子电池负极材料是提高钠离子电池能量密度和推动其商业化应用进程的关键。
[0004]过渡金属硫化物具有较高的储钠理论容量，适中的层间距有利于钠离子的可逆嵌入/脱出，此外其金属
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硫键结合力较弱，有利提高钠离子与活性材料间转化反应动力学。因此，过渡金属硫化物成为具有良好发展前景的钠离子电池负极材料。其中，与其它过渡金属硫化物相比，二硫化钴(CoS2)具有较高的电导率，有利于增强转化反应中的电化学动力学。然而，研究表明CoS2电极材料在循环过程中会因较大的体积膨胀发生结构坍塌，造成不可逆电化学反应，导致其在钠离子电池中容量快速衰减，循环性能差。因此，合理设计具有稳定结构和良好电化学特性的CoS2基复合材料作为储钠负极材料对钠离子电池的发展与应用具有重要推动意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有钠离子电池负极材料及其制备技术的不足，提供了一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法，本专利技术利用该复合材料制备获得的钠离子电池负极材料呈现出高比容量、优异的倍率性能和循环稳定性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]本专利技术提出的一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料，其结构中，硼氮硫共掺杂多孔碳基体中均匀分散着细小的CoS2纳米颗粒。
[0008]本专利技术提出的一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料的制备方法，首先分别以金属有机框架(ZIF
‑
67)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为钴源、含氮碳源和造孔剂，N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)为限域溶剂，制得混合胶体；将混合胶体先进行加热预碳化，然后进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH4HB4O7·
3H2O)为硼源进行硼掺杂，得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)；最后对其进行硫化处理获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS2/BNSC)。
[0009]作为本专利技术的优选技术方案，制备方法具体步骤如下：
[0010](1)在室温下，采用化学沉淀法制备具有十二面体形状的ZIF
‑
67；
[0011](2)在室温下，将聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中，之后将步骤(1)制得的ZIF
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67超声分散于溶液中，加热搅拌蒸发部分溶剂，制得粘稠状胶体；
[0012](3)将步骤(2)中制得的胶体在惰性气氛中加热预碳化，然后进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH4HB4O7·
3H2O)作为硼源进行硼掺杂，得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)；
[0013](4)将步骤(3)得到的金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)与升华硫粉末按一定比例混合后，在惰性气氛保护下进行硫化处理，获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS2/BNSC)。
[0014]作为本专利技术的进一步优选技术方案，二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料的制备方法中：
[0015]步骤(1)具体为：配制浓度为1～2mol/L的2
‑
甲基咪唑水溶液；将此2
‑
甲基咪唑水溶液缓慢滴加到0.3～0.8mol/L的NaOH水溶液中，获得混合溶液A；配制浓度为0.3～0.8mol/L的硝酸钴(Co(NO3)2·
6H2O)水溶液，标记为溶液B；将溶液B缓慢滴加到溶液A中，持续搅拌6～18h后，对沉淀物进行离心，并于50～80℃下真空干燥12～24h，获得ZIF
‑
67。
[0016]步骤(2)具体为：将0.2～0.6g平均分子量为80000～150000的聚丙烯腈(PAN)和0.2～0.5g平均分子量为10000～40000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于25mL N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)中，之后称取0.1～0.4g ZIF
‑
67超声分散于上述混合溶液中，持续搅拌12
‑
24h后，60～80℃加热搅拌蒸发部分溶剂，制得粘稠状混合胶体。
[0017]步骤(3)具体为：将步骤(2)中制得的胶体在惰性气氛保护下加热预碳化，其中惰性气氛为体积比为5：1的氮/氢混合气，温度为640～680℃，保温时间为2～4h，升温速率为1～2℃/min；之后再进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH4HB4O7·
3H2O)作为硼源进行硼掺杂得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)，其中惰性气氛为氮气，碳化温度为750～850℃，碳化时间为2～4h，升温速率为2～5℃/min。
[0018]步骤(4)具体为：将步骤(3)得到的金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)与升华硫粉按质量比为1：10～20混合后，在氩气气氛保护下进行硫化处理，获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS2/BNSC)，其中硫化温度为400～450℃，硫化时间为1～3h，升温速率为1～3℃/min。
[0019]另外，本专利技术还提出了该二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料在钠离子电池
负极材料中的应用，将二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料与导电剂、粘结剂按照一定比例研磨混合得到浆料，将所得浆料均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料，其特征在于，硼氮硫共掺杂多孔碳基体中均匀分散着细小的CoS2纳米颗粒。2.一种如权利要求1所述二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，首先分别以金属有机框架材料(ZIF
‑
67)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为钴源、含氮碳源和造孔剂，N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)为限域溶剂，制得混合胶体；将混合胶体先进行加热预碳化，然后进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH4HB4O7·
3H2O)为硼源进行硼掺杂，得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)；最后对其进行硫化处理获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS2/BNSC)。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)在室温下，采用化学沉淀法制备具有十二面体形状的ZIF
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67；(2)在室温下，将聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)中，之后将步骤(1)制得的ZIF
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67超声分散于溶液中，加热搅拌蒸发部分溶剂，制得粘稠状胶体；(3)将步骤(2)中制得的胶体在惰性气氛中加热预碳化，然后进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH4HB4O7·
3H2O)作为硼源进行硼掺杂，得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)；(4)将步骤(3)得到的金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)与升华硫粉末按一定比例混合后，在惰性气氛保护下进行硫化处理，获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS2/BNSC)。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体为：配制浓度为1～2mol/L的2
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甲基咪唑水溶液；将此2
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甲基咪唑水溶液缓慢滴加到0.3～0.8mol/L的NaOH水溶液中，获得混合溶液A；配制浓度为0.3～0.8mol/L的硝酸钴(Co(NO3)2·
6H2O)水溶液，标记为溶液B；将溶液B缓慢滴加到溶液A中，持续搅拌6～18h后，对沉淀物进行离心，并于50～80℃下真空干燥12～24h，获得ZIF
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67。5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘家琴，李玉磊，崔接武，吴玉程，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：