CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体制造技术

本发明专利技术公开了CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体，是先以尿素为调节剂、以Co

【技术实现步骤摘要】
CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体


[0001]本专利技术涉及一种CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体材料的制备方法，属于电化学电源领域。

技术介绍

[0002]为了未来社会的可持续发展，人们不断探索环境友好型可再生能源。目前，可充电电池在许多清洁能源中被广泛使用，其中锂离子电池是典型的清洁能源。与镍铬电池、铅酸电池等相比，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、倍率能力好等优点，保证了在军事、工业和人们日常生活中的广泛应用。目前，商用锂离子电池石墨负极材料比容量较低、倍率性能差，商业用碳的理论比容量为372mAhg
‑1，且存在较大的安全隐患，因此开发新型的负极材料成为目前该研究领域的热点。基于高性能过渡金属硫化物(TMS)的新型负极材料因其理论容量大、安全性高而受到广泛研究。具有不同化学计量成分的硫化钴由于高理论容量，被认为是锂储存的理想候选者。然而，与其他金属硫化物一样，硫化钴负极也面临着两个严重的问题：一是充放电过程中体积变化大甚至粉碎，导致循环稳定性差；另一种是多硫化物溶解在电解液中，导致连续的比容量衰减。
[0003]综上所述，需要找到一种简单高效的制备方法以合成具有特殊结构的纳米材料，并确保该材料具有较大的产率和较好的性能，以满足其作为锂离子电池负极材料的应用。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体的制备方法，所要解决的技术问题是使该制备方法具有方法简单、成本低廉的优点，同时使所得产物收率较高、结构均匀且具有更好的电化学性能。
[0005]本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：
[0006]本专利技术CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)Co
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MOF
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74纳米颗粒的合成
[0008]将四水合乙酸钴溶解在甲醇中，得到四水合乙酸钴甲醇溶液；将2,5
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二羟基对苯二甲酸溶解在甲醇中，得到2,5
‑
二羟基对苯二甲酸甲醇溶液；将2,5
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二羟基对苯二甲酸甲醇溶液与四水合乙酸钴甲醇溶液混合后，磁力搅拌反应，所得产物经离心分离、清洗，得到Co
‑
MOF
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74纳米颗粒；
[0009](2)CoMOFs纳米棒三维组装体的合成
[0010]将Co
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MOF
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74纳米颗粒与尿素加入去离子水中，搅拌均匀后转移到不锈钢高压反应釜中，然后置于烘箱加热反应，所得产物经清洗、真空干燥，得到CoMOFs纳米棒三维组装体；
[0011](3)CoS/Co9S8@SC的合成
[0012]将CoMOFs纳米棒三维组装体与升华硫混合后转移到管式炉中，在惰性气氛下煅
烧，即获得CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体，记为CoS/Co9S8@SC。
[0013]作为优选，步骤(1)中：所述四水合乙酸钴甲醇溶液中四水合乙酸钴与甲醇的用量比为0.3～0.4g：35～40mL；所述2,5
‑
二羟基对苯二甲酸甲醇溶液中2,5
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二羟基对苯二甲酸与甲醇的用量比为0.1～0.15g：15～20mL；所述四水合乙酸钴与2,5
‑
二羟基对苯二甲酸的摩尔比为2.5～4:1。
[0014]作为优选，步骤(1)中：所述磁力搅拌的转速为350～450rpm；所述离心分离的转速为5000～6000rpm，离心时间为4～6min。
[0015]作为优选，步骤(2)中，Co
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MOF
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74纳米颗粒与尿素的质量比为1～3:1。
[0016]作为优选，步骤(2)中，加热反应的温度为170℃～180℃、反应时间为10h～12h。
[0017]作为优选，步骤(3)中，所述CoMOFs纳米棒三维组装体与升华硫的质量比为1：9～10。
[0018]作为优选，步骤(3)中，所用惰性气体为氩气，煅烧温度为400℃～600℃、煅烧时间为1～6h、升温速率为5℃/min。
[0019]与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：
[0020]1、本专利技术提供了一种CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体的制备方法，以Co
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MOF
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74纳米颗粒为前驱体，在尿素的作用下通过溶剂热法制备CoMOFs纳米棒构成的三维组装体，后经硫化将组装体材料转化为三维CoS/Co9S8@SC材料，具有方法简单、成本低廉、产物收率较高且结构均匀的优点。
[0021]2、本专利技术所制备的三维CoS/Co9S8@SC材料作为锂离子电池负极材料，表现出较好的循环和倍率性能，在1000mAg
‑1电流密度下200个循环后的比容量仍可保持1016.9mAhg
‑
1，其性能优于已报道的CoS
x
纳米材料。
[0022]3、本专利技术CoS/Co9S8@SC复合材料的优异电化学性能与其独特结构密切相关：硫原子掺杂可有效提高碳基底导电性；CoS/Co9S8异质界面可加快传质，降低反应势垒；复合材料三维结构拥有更多的电子传输路径，锂离子嵌入脱出速度快；多孔碳基所提供的相互贯穿的孔道结构，有利于电解液的充分浸润，可以缓解材料在充放电过程中的体积变化。在各个结构特征的协同作用下，有效解决了硫化钴纳米材料导电性能差和在电池充放电过程中稳定性差的问题，改善了电池的循环性能和倍率性能。
附图说明
[0023]图1为实施例1步骤(1)所得Co
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MOF
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74NPs的扫描电镜图。
[0024]图2与图3为实施例1步骤(2)所得CoMOFs纳米棒三维组装体在不同放大倍数下的扫描电镜图。
[0025]图4为实施例1步骤(2)所得CoMOFs纳米棒三维组装体的透射电镜图。
[0026]图5为实施例1步骤(3)所得CoS/Co9S8@SC的扫描电镜图。
[0027]图6为实施例1步骤(3)所得CoS/Co9S8@SC的透射电镜图。
[0028]图7为实施例1步骤(3)所得CoS/Co9S8@SC的XRD图。
[0029]图8为实施例1步骤(3)所得CoS/Co9S8@SC的XPS图谱，其中：图8(a)为复合材料全谱分析；图8(b)为C元素的高分辨精细图谱；图8(c)为Co元素的高分辨精细图谱；图8(d)为S元素的高分辨精细图谱。
[0030]图9为实施例1所得目标产物作为锂离子电池负极材料的循环性能图。
[0031]图10为实施例1所得目标产物作为锂离子电池负极材料的倍率性能图。
[0032]图11为实施例1所得目标产物作为锂离子电池负极材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)Co
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MOF
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74纳米颗粒的合成将四水合乙酸钴溶解在甲醇中，得到四水合乙酸钴甲醇溶液；将2,5
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二羟基对苯二甲酸溶解在甲醇中，得到2,5
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二羟基对苯二甲酸甲醇溶液；将2,5
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二羟基对苯二甲酸甲醇溶液与四水合乙酸钴甲醇溶液混合后，磁力搅拌反应，所得产物经离心分离、清洗，得到Co
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MOF
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74纳米颗粒；(2)CoMOFs纳米棒三维组装体的合成将Co
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MOF
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74纳米颗粒与尿素加入去离子水中，搅拌均匀后转移到不锈钢高压反应釜中，然后置于烘箱加热反应，所得产物经清洗、真空干燥，得到CoMOFs纳米棒三维组装体；(3)CoS/Co9S8@SC的合成将CoMOFs纳米棒三维组装体与升华硫混合后转移到管式炉中，在惰性气氛下煅烧，即获得CoS和Co9S8纳米颗粒嵌入的S掺杂多孔碳三维结构组装体，记为CoS/Co9S8@SC。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述四水合乙酸钴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张传玲，赵康康，王锐，武举，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：