本发明专利技术公开了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，是将硫元素掺杂到炭材料而形成的硫杂炭材料，或者是将硫元素和氮元素两种掺杂到炭材料而形成的硫-氮杂炭材料；所述的炭材料为碳黑。该材料可用作或用于制备电池的电极材料，具有优良的电化学性能。本发明专利技术还公开了该硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，包括：将硫元素掺杂原料或者硫元素和氮元素两种掺杂原料与炭材料混合均匀后倒入水中，制成均匀分散的悬浊液；将悬浊液干燥所得物质研磨后在惰性气体氛围中煅烧，得到硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料；该方法操作简单，易于批量生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料领域，具体涉及一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料及其制备方法和应用。
技术介绍
目前，锂空气电池的空气电极多采用商业化炭黑(如KB系列、XC-72和)(C-72R、 BP2000等)、自制活性炭、炭汽凝胶、石墨烯和氧还原催化剂作为电极材料。其中，自制活性炭和炭汽凝胶大都制备工艺复杂且制备量有限，不宜工业生产。石墨烯制备工艺复杂且不易制备，导致其价格昂贵。商业化炭黑虽能大量生产，价格适中。然而，锂空气电池中空气电极侧(也就是锂空气电池正极)存在的主要问题是空气电极侧的氧还原过电位往往成为限制锂空气电池能量密度的主要因素。由于常用炭黑材料结构的限制，需要与氧还原催化剂一同使用才能一定程度上降低锂空气电池空气电极侧的氧还原过电位。在迄今的文献报道和专利申请中，硫或硫-氮杂炭的炭源均为石墨类碳(如多壁 /单壁碳纳米管，碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成，管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。)，并且大都使用在光催化领域(参考文献，1. Shanhong Wang，Liping Wang， Qunji Xue, Investigation of microstructure and photo-magnetic properties of sulfur-doped DLC nanocomposite films by electrochemical method,Applied Physics A, 102(2011),753-760 ；2. Frank Mendoza, Vladimir Makarov, Arturo Hidalgo, Brad Weiner, Gerardo Morel1, Ultraviolet photosensitivity of sulfur-doped micro—and nano-crystalline diamond, Journal of Applied Physics,109(2011),114904-1-6 ； 3. Tongxiang Cui, Ruitao Lv, Zheng-hong Huang, Feiyu Kang, Kunlin Wang, Dahai Wu, Effect of sulfur on enhancing nitrogen-doping and magnetic properties of carbon nanotubes, Nanoscale Research Letters,77 (2011), 1-6 ；4. Xia Yuan, Xiaojuan Wu, Yuliang An, Qingqi Hou, Synthysis of S doped Y—junction carbon by CVD method, Advanced Materials Research，183 (2011)，1731-1735)。另外，现有的硫或硫-氮杂炭一般采用化学气相沉积(CVD)或高能辐射等复杂、高耗能、制备设备昂贵的合成方法，因此不利于材料的推广使用。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有炭材料应用在锂空气电池中存在的氧还原过电位较高的缺点问题，提供了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，以炭黑(carbon black，又名碳黑，一种无定形碳)为炭源，掺杂有硫或硫-氮，成本低且电化学性能优良。本专利技术还提供了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，操作简单，易于批量制备。一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，是将硫元素掺杂到炭材料而形成的硫杂炭材料，或者是将硫元素和氮元素两种掺杂到炭材料而形成的硫-氮杂炭材料；所述的炭材料为碳黑。所述的碳黑可选用市售产品，如常用商品Cabot系列炭材料、Ketjen Black系列炭材料、Kuraray系列炭材料、BP2000炭材料或其他炭材料。为了达到更好的专利技术效果，优选所述的硫杂炭材料中硫元素的质量百分含量为0. 1% -20% ；或者，所述的硫-氮杂炭材料中硫元素和氮元素两种的总质量百分含量为 0.1%-20%。可进一步提高电池性能。硫元素和氮元素两种中硫元素与氮元素的质量比可按任意比。本专利技术中是为了在炭材料中掺杂硫元素或硫元素和氮元素两种，因此只要掺杂原料中含有硫元素或硫元素和氮元素两种能通过现有掺杂技术掺杂到炭材料中即可，至于掺杂原料的形态本专利技术没有特别的限定。所述的硫元素的来源(即硫元素掺杂原料)可选用硫单质或硫的前驱体。所述的硫元素和氮元素两种的来源(即硫元素和氮元素两种掺杂原料)可选用氮单质和硫单质两种、氮单质和硫的前驱体两种、硫单质和氮的前驱体两种或硫-氮的前驱体。所述的硫的前驱体可选用含硫元素的化合物，包括在加热温度大于室温下含硫化合物气体生成的有机物或在加热温度大于室温下含硫化合物气体生成的无机物，可选用二巯基丙醇、硫醚、硫化铁等含硫元素的化合物中的一种或两种以上。所述的氮的前驱体可选用含氮元素的化合物，包括在加热温度大于室温下含氮化合物气体生成的有机物或在加热温度大于室温下含氮化合物气体生成的无机物，可选用取代或未取代的咪唑、叠氮化钠、胺、取代或未取代的噻吩等含氮元素的化合物中的一种或两种以上。所述的硫-氮的前驱体可选用含硫元素和氮元素的化合物，包括在加热温度大于室温下含硫和氮化合物气体生成的有机物或在加热温度大于室温下含硫和氮化合物气体生成的无机物，可选用硫脲、硫代乙酰胺、苯磺酰胺、二硫氰基甲烷、硫化铵等含硫元素和氮元素的化合物中的一种或两种以上。所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，包括步骤(1)将硫元素掺杂原料或者硫元素和氮元素两种掺杂原料与炭材料混合均勻后倒入水中，制成均勻分散的悬浊液；(2)将悬浊液干燥所得物质研磨后于密封环境在惰性气体氛围中煅烧，得到硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料。步骤(1)中，所述的均勻分散的悬浊液可采用本领域现有技术实现，如可采用搅拌、超声交替进行的方式制备均勻分散的悬浊液。步骤O)中，干燥的条件优选为50°C -70°C烘干。步骤O)中，所述的惰性气体选用本领域广义上的惰性气体，如氮气、氦气、氩气等中的一种，优选为氩气或氮气。步骤O)中，煅烧的条件优选为500°C -900°C煅烧至少5小时。所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料可用作或用于制备电池的电极材料，所述的电池优选为锂空气电池(又名锂氧气电池)。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点本专利技术硫或硫-氮杂炭材料的炭源首次选用商品化常用炭黑，是在常用炭黑基础上对炭黑进行硫或硫-氮元素掺杂改性得到的，其比表面积、孔径分布、粒径及导电性(石墨化程度)与所用炭源炭材料相当，用作锂空气电池或其他电池电极材料时的电化学性能优越于所用炭源炭材料(没杂硫或硫-氮)，能够表现出优异的首次放电性能。本专利技术硫或硫-氮杂炭材料改变了现有炭材料在锂空气电池中必需与氧还原催化剂一同使用来降低氧还原过电位的缺点，并且使锂空气电池空气电极所用材料的整体成本大幅降低。本专利技术硫或硫-氮杂炭材料在锂空气电池或其他电池中的应用尚属首例。本专利技术硫或硫-氮杂炭材料的制备方法，简便易行，所需设备常见本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘现军，王德宇，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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