[发明专利]一种优异性能的硒化钨-胶原蛋白衍生多孔碳复合物钠离子电池负极材料的合成方法和应用

说明书

本发明公开一种优异性能的硒化钨‑胶原蛋白衍生多孔碳复合物钠离子电池负极材料的合成方法和应用，该材料中的硒化钨粒子限域在多孔纳米碳中，结构稳定；所述的胶原蛋白衍生的多孔碳中有N和S杂原子共掺杂，可以通过调节衍生碳内部电子结构提高导电性，并有效固定硒化钨粒子，使结构稳定，以提高其储钠性能。技术方案如下：首先从制革工业的废弃牛皮毛中提取胶原蛋白粉，将其碳化活化后和钨源复合，最后硒化制得硒化钨‑胶原蛋白衍生多孔碳复合物。结果表明，该钠离子电池负极材料具有优异的电化学性能。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

本发明属于钠离子电池材料领域，尤其涉及一种优异性能的硒化钨-胶原蛋白衍生多孔碳复合物的合成方法和应用。

背景技术

锂离子电池(LIBs)具有高能量和高功率密度等优点，已广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等。然而，锂资源稀缺，分布不均，而且成本高，在很大程度上制约了大规模应用的发展。同时，锂电池的安全问题一直是锂电池领域的一大难题。所以，作为替代能源，具有低成本、高性能、高安全性等优点的储能设备钠离子电池应运而生。然而，由于Na⁺半径比Li⁺半径大，导致钠离子电池的发展面临着挑战，如大体积膨胀、动力学性能差等。因此，设计具有优异性能的钠离子电池负极材料具有重要的意义。

而近年来二维层状过渡金属如MoS₂、MoSe₂等由于具有类石墨烯的二维层状结构且有较大的层间距，有利于较大半径的Na⁺ 的传输和存储，同时它们具有良好的导电性，表现出较为优异的电化学性能。虽然WSe₂具有和它们相同的物理化学性质，但是它的密度相对较重，在理论质量比容量上比MoS₂、MoSe₂低。然而，WSe₂的过电位较低，且WSe₂的密度更大因此体积比容量更高，在体积空间受限的动力电池、潜艇电池和航空电池等领域具有良好的应用前景，是具有潜力的下一代钠离子负极材料。

本发明利用从制革工业的废弃牛皮毛中提取的胶原蛋白粉作为前驱体碳源合成硒化钨-胶原蛋白衍生多孔碳复合物。其和一般方法相比区别在于：1、胶原蛋白衍生的多孔纳米碳复合物具有高空隙率，高比表面积等特点，可提供大量的储钠活性位点，有利于钠离子和电子的传输，同时促进电解液渗透到活性物质的内部，提升反应动力学；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，由多种氨基酸组成，富含有机基团，胶原蛋白中大量的N, S元素在煅烧过程中可原位转化成N, S杂原子掺杂，可调控衍生碳内部的电子结构，提高复合物的导电性，且可有效加强衍生碳和硒化钨的结合，使结构更加稳定，进而提高其电化学性能；4、胶原蛋白衍生的多孔纳米碳将硒化钨粒子限域在多孔结构中，使结构稳定，可缓冲充放电过程中的体积变化；5、通过胶原蛋白活化衍生多孔碳和一步硒化法合成材料，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，该钠离子电池负极材料具有优异的电化学性能，有一定的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优异的硒化钨-胶原蛋白衍生多孔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。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明采用简单易行的活化和硒化法合成出硒化钨-胶原蛋白衍生多孔碳复合物。其具体步骤如下：

1）称取一定质量的废弃牛皮毛（指有毛的牛皮），先在乙醇中超声预处理，再用剪刀剪碎，加入占原料质量0.5% - 1%的酶制剂溶解，所述的酶制剂采用胃蛋白酶/木瓜蛋白酶/胰蛋白酶，接着盐析，最后冷冻干燥磨碎得到胶原蛋白粉。