氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜的制备方法。该隔膜采用一步煅烧法制备了氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶，并通过真空抽滤使其覆盖在锂硫电池隔膜上制成。其中，氮掺杂碳能够在提升材料整体导电性的同时对多硫化物进行物理阻隔和化学吸附；此外，氮掺杂二硫化钼纳米晶不仅拥有超小的尺度，氮掺杂的引入还能够提供丰富的边缘活性位点，催化多硫化物的转化并诱导最终产物硫化锂的生成，从而显著优化了电池反应动力学过程。本发明专利技术制备的氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜方法简便，利用氮掺杂二硫化钼纳米晶的高催化活性有效抑制了多硫化物的穿梭效应，提升了锂硫电池的循环稳定性、库伦效率和倍率性能。率和倍率性能。率和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
Enhanced Catalytic Polysulfide Conversion in Lithium
‑
Sulfur Batteries[J]. ACS Nano, 2021, 15(4): 7491
‑
7499.）。然而，仅是如此，二硫化钼应用于锂硫电池仍有很大提升空间。

技术实现思路

[0005]为了丰富二硫化钼的活性位点提升其对于多硫化物的吸附和催化性能，进而提升锂硫电池的电化学性能，本专利技术主要提供了一种用于锂硫电池的氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜的制备方法。
[0006]一种氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将二氰二胺和四硫代钼酸铵溶于N，N
‑
二甲基甲酰胺，搅拌使其完全溶解并混合均匀，将两者的混合溶液在70
ꢀ±ꢀ
5 ℃水浴条件下蒸干溶剂，将得到的固体产物研磨后得到二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末；步骤2，惰性气氛下，将二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末进行高温煅烧得到氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶；步骤3，将氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶加入水/乙醇的混合溶液中，超声使其形成均匀分散的混合体系，采用真空抽滤的方法将其均匀覆盖在锂硫电池隔膜上，干燥后得到氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜。
[0007]步骤1中，二氰二胺和四硫代钼酸铵的质量比为25:1，在此比例下可以保证最终产物中的二硫化钼纳米晶均匀负载在氮掺杂碳上。
[0008]步骤2中，在惰性气氛下，将二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末进行高温煅烧，煅烧温度为700~800 ℃，时间为2 h，升温速率为2 ℃ min
‑1，在此条件下，可以保证二氰二胺和四硫代钼酸铵完全分解为氮掺杂碳和氮掺杂二硫化钼纳米晶。
[0009]步骤3中，水/乙醇混合溶液中，水和乙醇的体积比为1:1~2，这是由于商用锂硫电池隔膜的疏水特性，加入乙醇能保证隔膜充分浸润，有利于真空抽滤。
[0010]步骤3中，将氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶加入水/乙醇的混合溶液中，超声使其形成均匀分散的混合体系，混合体系的浓度为5 mg mL
‑1，在此浓度下能保证氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶能够均匀分散且不易沉积。
[0011]步骤3中，通过控制单次真空抽滤所需混合体系的体积来控制隔膜上氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶的面载量为0.1~0.3 mg cm
‑2，此载量能够保证多硫化物被阻隔在正极和隔膜之间并被有效催化转化为最终产物硫化锂且不会过多降低电池的能量密度。
[0012]步骤3中，锂硫电池隔膜可以采用商用的PP隔膜。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术通过将二氰二胺和四硫代钼酸铵溶解混合后，高温煅烧得到了氮掺杂负载二硫化钼纳米晶，并通过简单的真空抽滤的方法制备了用于锂硫电池的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜。一方面，氮掺杂碳提升了材料导电性的同时对多硫化物起到了物理阻隔和化学吸附的作用，另一方面，氮掺杂二硫化钼纳米晶的超小尺度（2
‑
5 nm）和氮掺杂的特性为多硫化物的催化转化提供了大量活性位点，优化了电池体系的氧化还原动力学过程。因此，在氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜的存在下，穿梭效应得到了有效抑制，锂硫电池的容量、循环稳定性和倍率性能都得到了显著提升。本专利技术的制备流程简单，反应易控制，得
到的产物用于锂硫电池性能得改善，前景十分广阔。
附图说明
[0014]图1为实施例一制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶的扫描电镜图。
[0015]图2为实施例一制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶的透射电镜图。
[0016]图3为实施例一制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶的高分辨透射电镜图。
[0017]图4为实施例一制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜表面的扫描电镜图。
[0018]图5为实施例一制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜横截面的扫描电镜图。
[0019]图6为对比例制备的二硫化钼的扫描电镜图。
[0020]图7为对比例制备的二硫化钼/隔膜表面的扫描电镜图。
[0021]图8为对比例制备的二硫化钼/隔膜横截面的扫描电镜图。
[0022]图9为实施例一制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜用于锂硫电池在0.5 C倍率下的长循环充放电性能图。
[0023]图10为实施例一制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜用于锂硫电池的倍率性能图。
[0024]图11为实施例二制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜用于锂硫电池在0.5 C倍率下的长循环充放电性能图。
[0025]图12为实施例二制备的氮掺杂负载二硫化钼纳米晶/隔膜用于锂硫电池的倍率性能图。
[0026]图13为对比例制备的二硫化钼/隔膜用于锂硫电池在0.5 C倍率下的长循环充放电性能图。
[0027]图14为对比例制备的二硫化钼/隔膜用于锂硫电池的倍率性能图。
具体实施方式
[0028]本专利技术首先通过将二氰二胺和四硫代钼酸铵溶解再析出使其充分混合，再经过高温煅烧，二氰二胺分解为氮掺杂碳，四硫代钼酸铵分解为氮掺杂二硫化钼纳米晶，最后通过简单的真空抽滤的方法使得到氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶均匀覆盖在锂硫电池隔膜上，得到了氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜。
[0029]一、以下结合实施例对本专利技术进行详细地说明制备工艺。
[0030]实施例一1）制备二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物：称取10 g二氰二胺和400 mg四硫代钼酸铵溶于100 mL N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌使其完全溶解并混合均匀。将两者的混合溶液在70
ꢀ±ꢀ
5 ℃水浴条件下蒸干溶剂，将得到的固体产物研磨后得到二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末。
[0031]2）制备氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶：在惰性气氛下，将二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末进行高温煅烧，设置煅烧温度为800 ℃，时间为2 h，升温速率为2 ℃ min
‑1，得到氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶。
[0032]3）制备氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜：将25 mg氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶加入50 mL水/乙醇=1:1的混合溶液中，超声使其形成均匀分散的混合体
系，用移液枪移取5 mL混合体系，采用真空抽滤的方法使其均匀覆盖在锂硫电池隔膜上，面载量约为0.2 mg cm
‑2，60 ℃干燥12 h后得到氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜。
[0033]实施例二1）制备二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物：称取10 g二氰二胺和400 mg四硫代钼酸铵溶于100 mL N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌使其完全溶解并混合均匀。将两者的混合溶液在70
ꢀ±ꢀ
5 ℃水浴条件下蒸干溶剂，将得到的固体产物研磨后得到二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将二氰二胺和四硫代钼酸铵置于N，N
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二甲基甲酰胺中，搅拌使其完全溶解，将两者的混合溶液在70
ꢀ±ꢀ
5 ℃水浴条件下蒸干溶剂，所得产物研磨后得到二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末；步骤2，惰性气氛下，将二氰二胺/四硫代钼酸铵混合物粉末进行高温煅烧得到氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶；步骤3，将氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶加入水/乙醇的混合溶液中，超声使其形成均匀分散的混合体系，采用真空抽滤的方法将其均匀覆盖在锂硫电池隔膜上，干燥后得到氮掺杂碳负载氮掺杂二硫化钼纳米晶/隔膜。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，二氰二胺和四硫代钼酸铵的质量比为25:1。3. 如权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：何文枫，付永胜，徐畅，吴震，白武鑫，刘明亮，郭彤，孙敬文，朱俊武，汪信，陈海群，何光裕，姚超，左士祥，徐建波，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：