[發(fā)明專利]具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料及制備方法

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• 申請日: 2020-03-24
• 公開（公告）號: CN111403707A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉天西;宗偉;賴飛立;繆月娥;朱曉波;歐陽玥;郭和樂
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054;B82Y30/00;D06M13/432;D06M13/368;D06M11/36;D06M101/40
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊

本發(fā)明公開了一種具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，通過在氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維表面原位生長具有層間缺陷的硫化錸納米片，而后通過在還原性Ar/H₂氣氛中退火引入硫空位，得到具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料。本發(fā)明制備的復(fù)合材料中硫化錸均勻地生長在氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維的表面，具有比表面積大、導(dǎo)電性好、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。一維的層間缺陷結(jié)構(gòu)提供了相互連接的通道，以提供額外的離子嵌入/脫出位點。此外，富空位結(jié)構(gòu)有利于鈉離子的快速吸附，并且能夠改變材料本征態(tài)的電荷分布，進而達到增加活性位點和提升材料導(dǎo)電性的目的，因此具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬硫化物-碳材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池因使用壽命長、能量密度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在便攜式儲能設(shè)備、電動汽車和大規(guī)模儲能等領(lǐng)域中。但鋰離子電池的發(fā)展受到鋰金屬資源匱乏和價格昂貴的挑戰(zhàn)。相比較而言，鈉在地殼中有更豐富的儲量，且分布廣泛。因此，鈉離子電池已被公認為是替代鋰離子電池的首選之一。

硫化錸作為新興的過渡金屬硫化物，具有典型的二維層狀結(jié)構(gòu)。此外，其層間極弱的范德華相互作用有利于鈉離子擴散和抑制電極材料體積膨脹。然而，作為鈉離子電池負極材料時，硫化錸跟傳統(tǒng)的二維層狀過渡金屬硫化物材料面臨著相似的問題，其層狀結(jié)構(gòu)在電化學(xué)循環(huán)后易發(fā)生不可逆變化。此外，轉(zhuǎn)化反應(yīng)中產(chǎn)生的多硫化物易與電解液發(fā)生副反應(yīng)，從而引起電化學(xué)容量的迅速衰減。因此，對硫化錸材料進行有效的改性，并研究其在鈉離子電池工作中的電化學(xué)行為，是十分有必要的。近年來，研究者通過開發(fā)新的合成方法，成功調(diào)控了過渡金屬硫化物的化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)，進而獲得了更優(yōu)異的電化學(xué)儲能性能。事實證明，缺陷工程是調(diào)節(jié)納米材料電子結(jié)構(gòu)的一條有效途徑。在不同種類的缺陷中，一維的層間缺陷結(jié)構(gòu)可以提供相互連接的通道，以提供額外的離子嵌入/脫出位點。此外，零維的點空位能夠有效地調(diào)節(jié)過渡金屬硫化物的電子結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性和表面結(jié)構(gòu)，從而增強其電化學(xué)儲能性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備工藝簡單、成本低廉、鈉離子電池性能優(yōu)異的具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，通過在氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維表面原位生長具有層間缺陷的硫化錸納米片，而后通過在還原性Ar/H₂氣氛中退火引入硫空位，得到具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料。

本發(fā)明還提供了上述具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括：將高錸酸銨、硫脲、鹽酸羥胺溶解于去離子水中，并超聲處理，使其分散均勻，得到混合溶液；再將氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維加入該溶液中；轉(zhuǎn)移至水熱釜中加熱進行水熱反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，將產(chǎn)物用乙醇和水的混合溶液洗滌，干燥；最后將得到的產(chǎn)物在Ar/H₂氣氛下進行退火處理，得到具有雙缺陷結(jié)構(gòu)的硫化錸/氮摻雜生物質(zhì)基碳纖維復(fù)合材料。

優(yōu)選地，高錸酸銨、硫脲、鹽酸羥胺的摩爾比為(1-3):(1-5):(1-3)。

更優(yōu)選地，所述高錸酸銨、硫脲、鹽酸羥胺的摩爾比為1:2.2:2。

優(yōu)選地，所述水熱反應(yīng)溫度為180-220℃，反應(yīng)時間為20-26h。

更優(yōu)選地，所述水熱反應(yīng)溫度為200℃，反應(yīng)時間為24h。

優(yōu)選地，所述干燥為80℃下干燥時間為10-14h。

更優(yōu)選地，所述干燥為80℃下干燥時間為12h。

優(yōu)選地，所述退火處理溫度為450℃，處理時間為1-3h。