一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂及其制备方法，包括如下步骤：将镍盐和钼源的混合水溶液进行水热反应，在150～200℃反应8～12h，反应完成后冷却，对沉淀进行洗涤、干燥，得到钼酸镍前驱体；将所述钼酸镍前驱体和硫粉分别置于管式炉的前端和后端，钼酸镍前驱体和硫粉的质量比为1:10～20，在惰性气氛中进行硫化，得到棒状异质结，硫化温度为300～400℃，硫化时间为2～4h。通过构建异质结界面建立内置电场，显著增加了材料的电子传输效率和电催化活性位点，进而提升锂氧气电池的性能。并且纳米片插嵌的层状结构可以为放电产物提供更多的储存空间并且有利于活性位点的暴露。性位点的暴露。性位点的暴露。

【技术实现步骤摘要】
一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于电极材料
，具体涉及一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]锂氧气电池是通过放电产物过氧化锂在正极的可逆生成和分解来实现化学能和电能之间的存储和转换。虽然锂氧气电池的充放电机理简单，但是其产业化的道路上依然存在许多挑战，体系中仍然存在许多问题急需解决，例如较差的倍率性能、有限的循环稳定性、过高的充放电过电势等。由于锂氧气电池中正极是放电产物生成和分解的主要场所，所以通过对正极催化剂的调控和改性可以加快电池缓慢的反应动力学，从而有效改善锂氧气电池的使用性能。通过研究发现，贵金属材料、碳材料、金属化合物、过渡金属化合物等都具备一定的催化活性。其中，过渡金属化合物由于其易于调控的结构、价态丰富等优点而广泛应用于电催化领域。而在众多过渡金属化合物中，硫化钼和硫化镍由于其合成简单、催化活性高等优点而被大量研究。
[0004]相关研究显示，单相的二硫化钼和二硫化镍均已应用于锂氧气电池，但是催化性能并未达到预期，如二硫化钼的较低的电导率以及层状堆积的结构严重影响了催化性能。对于二硫化钼和二硫化镍作为锂氧气电池正极材料的改性目前主要集中在电子结构的调控、缺陷工程、包覆碳等手段，制备的正极催化材料的性能难以满足要求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂及其制备方法。通过构建异质结界面建立内置电场，显著增加了材料的电子传输效率和电催化活性位点，进而提升锂氧气电池的性能。并且纳米片插嵌的层状结构可以为放电产物提供更多的储存空间并且有利于活性位点的暴露。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0008]将镍盐和钼源的混合水溶液进行水热反应，在150～200℃反应8～12h，反应完成后冷却，对沉淀进行洗涤、干燥，得到钼酸镍前驱体；
[0009]将所述钼酸镍前驱体和硫粉分别置于管式炉的前端和后端，钼酸镍前驱体和硫粉的质量比为1:10～20，在惰性气氛中进行硫化，得到棒状异质结，硫化温度为300～400℃，硫化时间为2～4h。
[0010]硫粉和钼酸镍质量比的变化会影响到纳米片的厚度从而影响材料整体的形貌。
[0011]在一些实施例中，所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍。
[0012]在一些实施例中，所述钼源为钼酸盐，如钼酸钠。
[0013]优选的，镍盐和钼源的摩尔比为0.8～1.2:0.8～1.2。
[0014]在一些实施例中，水热反应的温度为170～190℃，反应时间为9～11h。
[0015]在一些实施例中，硫化过程的惰性气氛为氮气。
[0016]在一些实施例中，硫化温度为330～360℃。
[0017]在一些实施例中，钼酸镍前驱体和硫粉的质量比为1:13～18。
[0018]第二方面，本专利技术提供一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂，由所述制备方法制备而成，其为纳米片分级插嵌而成的棒状结构。
[0019]在一些实施例中，所述棒状结构的直径为0.2～0.4μm，长度为3～4μm；
[0020]纳米片的厚度为6～12nm，直径为0.1～0.2μm。
[0021]上述本专利技术的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
[0022](1)采用一步水热和气相化学沉积的方法，构建具有分级纳米结构的二硫化钼/二硫化镍，分级纳米结构是由纳米粒子、纳米棒、纳米线、纳米管和纳米片等小构建块(纳米单元)构建的集成架构，为锂氧气电池充放电时物质传输和电子传递提供助力，改善缓慢的反应动力学；硫化时，通过改变硫粉和前驱体的比例可以调控纳米棒的形貌，进而对锂氧气电池的催化性能产生影响；
[0023]本专利技术通过对材料的形貌和结构进行设计，构建了纳米片插嵌的棒状结构，制备的分级纳米结构可以有效防止二硫化钼的堆叠(二硫化钼的堆叠是指片状沿厚度方向叠加导致大量活性位点被掩盖)，在很大程度上暴露材料的催化活性位点，提供放电产物的生长空间，加速电化学催化过程中电子和物质的传输；
[0024]构建的异质结界面提供了大量的内置电场和离域电子，对加速电子、离子传输起到很好地促进作用，可以有效改善材料的传质和电荷传输效率；
[0025]目前异质结材料的合成大多采取溶液中外延生长的方法，较为复杂的工艺也阻碍了其在工业生产中的应用。本专利技术采取水热和气相化学沉积的制备方法，原料廉价易得，生产工艺简单、产量高，有很高的经济适用性，适合规模化生产，对锂氧气电池的产业化有很大的推进作用。
[0026](2)本专利技术制备的锂氧气电池正极催化剂在实际的电池测试中表现出很好的电化学活性和性能可重复性，具有高循环稳定性和比容量，经实验验证，在100mA g
‑1的电流密度下，首次充放电的比容量可达11663.7/11925.8mAh g
‑1；具有良好的倍率性能，充放电过电势受电流密度变化影响较小；在电流密度1000mA g
‑1、截容量600mAh g
‑1的条件下可稳定循环超500圈。
附图说明
[0027]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0028]图1为实施例1制备得到的棒状二硫化钼/二硫化镍的XRD图；
[0029]图2为实施例1制备得到的棒状二硫化钼/二硫化镍的FESEM图，放大倍数为10000倍；
[0030]图3为实施例1制备得到的棒状二硫化钼/二硫化镍的TEM图，放大倍数为14000倍；
[0031]图4为实施例1制备得到的棒状二硫化钼/二硫化镍的HR
‑
TEM图，放大倍数为70000倍；
[0032]图5为实施例1制备得到的棒状二硫化钼/二硫化镍用于锂氧气电池测试的首圈测试性能图；
[0033]图6为实施例1制备得到的棒状二硫化钼/二硫化镍用于锂氧气电池的倍率测试性能图；
[0034]图7为实施例1制备得到的棒状二硫化钼/二硫化镍用于锂氧气电池测试的循环性能图，测试条件为：电流密度1000mA g
‑1，截止容量为1000mAh g
‑1。
具体实施方式
[0035]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0036]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。
[0037]实施例1
[0038]中空立方体棒状二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将镍盐和钼源的混合水溶液进行水热反应，在150～200℃反应8～12h，反应完成后冷却，对沉淀进行洗涤、干燥，得到钼酸镍前驱体；将所述钼酸镍前驱体和硫粉分别置于管式炉的前端和后端，钼酸镍前驱体和硫粉的质量比为1:10～20，在惰性气氛中进行硫化，得到棒状异质结，硫化温度为300～400℃，硫化时间为2～4h。2.根据权利要求1所述的棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂的制备方法，其特征在于：所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍。3.根据权利要求1所述的棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂的制备方法，其特征在于：所述钼源为钼酸盐。4.根据权利要求2或3所述的棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池正极催化剂的制备方法，其特征在于：镍盐和钼源的摩尔比为0.8～1.2:0.8～1.2。5.根据权利要求1所述的棒状二硫化钼/二硫化镍锂氧气电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峣，周兆睿，王俊，赵兰玲，韩雪，龙宇欣，张一鸣，李业冰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：