[发明专利]一种高容量且稳定的少层硒化钼-胶原蛋白衍生碳复合物钾离子电池负极材料的合成和应用

说明书

本发明公开一种高容量且稳定的少层硒化钼‑胶原蛋白衍生碳复合物钾离子电池负极材料的合成和应用，该材料中的硒化钼为少层纳米结构；所述的胶原蛋白衍生碳中有原位N和S杂原子掺杂，可以加强其衍生碳和少层硒化钼的结合，使结构更加稳定，进而提高其储钾性能。技术方案如下：首先将从制革工业的废弃牛皮毛中提取的胶原蛋白粉和钼源加入到去离子水中，在室温中搅拌一定时间后，离心烘干，最后硒化制得少层硒化钼‑胶原蛋白衍生碳复合物。结果表明，该钾离子电池负极材料的电化学性能优异。该合成工艺简单，可操作性强，同时制革工业的废弃物绿色高值化利用，契合国家资源循环战略需求，成本低廉，可大规模生产，符合环境要求。

技术领域

本发明属于钾离子电池材料领域，尤其涉及一种高容量且稳定的少层硒化钼-胶原蛋白衍生碳复合物的合成方法和应用。

背景技术

当前，随着电动汽车和智能电网的不断发展，对具有高能量密度和长循环寿命的下一代储能设备的需求越来越大。但是锂资源在地球上的资源匮乏且分布不均，限制了它的大规模应用。而钾离子电池(PIBs)具有与锂/钠离子电池相似的工作原理，且钾资源的天然丰度较高，价格低廉，因此它受到了广泛的关注。此外，与Na⁺/Na相比，K⁺/K的标准氧化还原电位更低，可以转化为更高的能量密度，因此钾离子电池有望成为下一代储能电池应用在我们的日常生活中。

然而，由于K⁺ 半径较大，使得电极材料难以容纳K⁺ 的反复嵌入和脱出。近年来，嵌入式材料(如碳质和钛基材料)因其稳定的循环性能而吸引研究者的眼球，但是它们的理论容量较低( 280 mAh g^-1)。虽然转化反应型(如V₂O₃和NiCo₂O₄)和合金型(如Sn、Sb、Bi)电极具有较高的理论容量(300 - 800 mAh g^-1)，但在循环过程中体积往往会发生巨大的变化，导致活性材料的结构坍塌，进而导致容量迅速衰减。因此，设计出具有稳定结构的高性能储K⁺ 的电极材料仍然是一个巨大的挑战。而硒化钼具有类似三明治状的层状结构，较大的层间距可以显著降低K⁺ 嵌入/脱出的结构阻力，而备受研究者的青睐。但由于MoSe₂二维纳米结构的高表面能，其纳米片容易产生团聚，从而导致容量快速的衰减。通常采用杂原子掺杂，包覆碳层等方法进行改性，来提高它的储能性能。

本发明利用从制革工业的废弃牛皮毛中提取的胶原蛋白作为前驱体碳源、络合剂和纳米反应器合成少层硒化钼-胶原蛋白衍生碳复合物。其和一般方法相比区别在于：1、所合成的硒化钼-胶原蛋白衍生碳复合物中的硒化钼为少层纳米结构，有利于缩短钾离子/电子的传输路径和电解液的渗透，促进反应动力学的提升，并有效的缓冲充放电过程中的体积膨胀。2、胶原蛋白是从废弃的牛皮毛中提取的，属于制革工业的废弃物绿色高值化利用，变废为宝，有利于减少环境污染；3、废弃牛皮毛中的胶原蛋白是一种天然的高分子材料，通常是由多种氨基酸组成，富含-NH₂，-COOH，-CONH₂，-OH，-CO-NH- 等多种基团，因此具有较强的吸附金属盐的能力，并且原位提供氮硫杂原子掺杂，在煅烧过程中调控其衍生碳的内部电子结构，提高导电性，且可加强衍生碳和少层硒化钼的结合，形成碳包覆核壳结构，使其结构更加稳定，进而提高其电化学性能；4、胶原蛋白在该方法中巧妙地用作纳米反应器，可以大大地抑制少层硒化钼纳米粒子团聚并减缓循环过程中的体积膨胀，提高钾离子电池的长循环稳定性； 5、通过废弃牛皮毛提取胶原蛋白吸附钼盐和一步煅烧法合成材料，工艺简单，可操作性强，同时变废为宝，高值转化，成本低廉，具有大规模生产的前景。而且结果表明，该钾离子电池负极材料具有优异的电化学性能，这是迄今为止报道的硒化钼基钾电池材料最稳定的储钾性能之一，拥有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高容量且稳定的少层硒化钼-胶原蛋白衍生碳复合物及其合成方法和应用，工艺简单，可操作性强，制革工业的废弃物高值化利用，成本低廉，可大规模生产，符合环境要求。