[發明專利]一種單原子銅催化劑的制備方法及其在鋰硫電池正極中的應用

有效

• 申請號: 202010629581.0
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111974430B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 孫振華;肖茹;陳克;楊珍珍;李峰;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/06;B01J37/02;H01M4/13;H01M10/052;H01M10/42;D01F9/16
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

1.一種單原子銅催化劑的制備方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：

(1)將天然棉花依次進行清洗和干燥，將干燥好的棉花與泡沫銅一起放入管式爐中，先后在保護氣氛和氨氣氣氛下進行高溫處理，獲得負載有單原子銅催化劑的氮摻雜碳纖維泡沫；其中：放入管式爐中的棉花與泡沫銅質量比為1:5至1:20，沿管式爐管身軸向方向分開擺放，其中泡沫銅靠近管式爐進氣一側；所述高溫處理的過程為：管式爐在氬氣或氮氣保護氣氛下升溫至900-1100℃，升溫速率為5-20℃/分鐘，保溫1-2小時；然后切換至氨氣氣氛，保溫30-90分鐘，然后隨爐冷卻至室溫；

(2)將硫粉、多壁碳納米管和碳黑按比例均勻混合后加入到適量溶劑中，以混合研磨和超聲分散后得到活性物質懸浮液；將負載有單原子銅催化劑的氮摻雜碳纖維泡沫浸入懸浮液一段時間后取出，干燥后即獲得單原子銅催化劑/氮摻雜碳纖維/硫復合正極材料。

2.根據權利要求1所述的單原子銅催化劑的制備方法，其特征在于：步驟(1)中，將天然棉花進行清洗以去除雜質，清洗過程為：將天然棉花浸于濃度為0.5-5mol/L的稀鹽酸、稀硝酸或稀硫酸中磁力攪拌30-60分鐘后取出，再浸于蒸餾水中磁力攪拌1-2小時取出，最后浸于無水乙醇中磁力攪拌1-2小時后取出；清洗后的棉花放入40-80℃烘箱中干燥24-48小時。

3.根據權利要求1所述的單原子銅催化劑的制備方法，其特征在于：步驟(1)中，所述負載有單原子銅催化劑的氮摻雜碳纖維材料，銅原子均勻分散在氮摻雜碳纖維基體上，銅含量為1-5wt％。

4.根據權利要求1所述的單原子銅催化劑的制備方法，其特征在于：步驟(2)中，所述硫粉、多壁碳納米管和碳黑的質量比為(70-90)：(5-15)：(5-15)；所述溶劑為無水乙醇或N-甲基吡咯烷酮。

5.根據權利要求1所述的單原子銅催化劑的制備方法，其特征在于：步驟(2)中，將配比好的硫粉、多壁碳納米管和碳黑混合研磨30-120分鐘，然后加入到適量溶劑中，超聲分散30-120分鐘；加入溶劑中的硫粉、多壁碳納米管和碳黑的總量與溶劑的比例為(5-30)g：1L。

6.根據權利要求1所述的單原子銅催化劑的制備方法，其特征在于：步驟(2)中，所述負載有單原子銅催化劑的氮摻雜碳纖維泡沫浸入懸浮液的時間為1-5分鐘。

7.根據權利要求1所述的單原子銅催化劑的制備方法，其特征在于：步驟(2)中，將從懸浮液中浸泡后取出的負載有單原子銅催化劑的氮摻雜碳纖維泡沫放入40-80℃烘箱中干燥24-48小時。

8.一種利用權利要求1所述方法制備的單原子銅催化劑在鋰硫電池正極中的應用，其特征在于：將所述單原子銅催化劑/氮摻雜碳纖維/硫復合正極材料作為鋰硫電池正極材料，鋰硫電池正極材料的單位面積硫載量為3-15mg/cm²。