[发明专利]钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和在锂硫电池正极应用

权利要求书

1.一种钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料，其特征在于：包括相互复合的钼氮共掺杂花型碳纳米球和非结晶态硫，所述的钼氮共掺杂花型碳纳米球是通过将钼、氮以共价键的形式掺杂到花型碳纳米球骨架而形成的,该花型碳纳米球骨架结构为多片瓣型多孔碳片以一端为共同基点，另一端呈花瓣形展开布置构成，其共价键包括C-Mo键、C-N键;

所述的钼原子占钼氮共掺杂花型碳纳米球的质量分数为4-10%，氮占钼氮共掺杂花型碳纳米球的质量分数为4-8%。

2.根据权利要求1所述的钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料，其特征在于：所述钼氮共掺杂花型碳纳米球直径为200-250 nm，瓣型多孔碳片厚度为8-20 nm，瓣型碳壁之间的空隙为10-30 nm，材料整体比表面积为400-600 m² g^-1，孔容为1.1-1.8 cm³ g^-1。

3.根据权利要求1所述的一种钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料，其特征在于：复合材料中氮来源于前驱体壳聚糖的使用和退火过程中氨气的引入，钼来源于水热过程中引入钼酸盐。

4.根据权利要求1所述的一种钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料，其特征在于：非结晶态硫通过硫熔融后通过毛细作用进入钼氮共掺杂花型碳纳米球的孔结构中，均匀分散瓣型多孔碳片上，其质量分数占65~75 wt%。

5.一种制备如权利要求1所述的钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）制备硬模板二氧化硅纳米球；

（2）取步骤（1）中制得的二氧化硅纳米球混合壳聚糖超声溶解分散去离子水中形成均匀混合液，转移至反应釜于进行碳化，一次经过抽滤、洗涤、干燥获得咖啡色粉末，然后氩气气氛中退火，用刻蚀溶液刻蚀掉二氧化硅纳米球硬模板后获得花型碳纳米球；

（3）将花型碳纳米球和十六烷基三甲基溴化铵于水中超声分散，然后将钼酸盐加入上述溶液中进一步超声分散，将超声分散均匀的溶液倒入反应釜进行水热反应，抽滤烘干收集粉末；将得到的粉末在氩气和氨气的混合气氛围中进行高温退火处理，得到钼氮共掺杂花型碳纳米球；

（4）通过熔融渗透法组装硫单质于上述的钼氮共掺杂花型碳纳米球，得到相应的钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料。

6.根据权利要求5所述的一种钼氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）硬模板二氧化硅纳米球的合成

取十六烷基溴代吡啶2g和尿素1.2g加入60ml去离子水超声溶解形成十六烷基溴代吡啶和尿素的均相混合液，准备60ml环己烷和5ml正戊醇以及原硅酸四乙酯5g混合溶液，将上述二者溶液混合至容积合适的三口烧瓶中在室温下机械搅拌1 h，其搅拌速度在500-2500rmp之间，然后转移至反应釜中，在120℃下反应6h，之后依次经过过滤、洗涤、干燥获得浅黄色或白色固体，于马弗炉中550℃高温煅烧6h，获得二氧化硅纳米球；

（2）花型纳米球的制备

取步骤（1）中制得的二氧化硅纳米球0.5 g混合1 g壳聚糖超声溶解分散在75 ml去离子水中形成均匀混合液，转移至反应釜于180℃烘箱中12 h反应，一次经过抽滤、洗涤、干燥获得咖啡色粉末，于800℃管式炉氩气气氛中退火2 h，用刻蚀溶液刻蚀掉二氧化硅纳米球硬模板后获得花型碳纳米球；

（3）钼氮共掺杂花型碳纳米球的制备

称取步骤（2）中得到的花型碳纳米球100 mg和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵100mg于30 ml水中超声分散，然后将12~50 mg钼酸盐加入上述溶液中进一步超声分散，将超声分散均匀的溶液倒入反应釜于200℃烘箱中进行水热反应10h，抽滤烘干收集粉末；将粉末在氩气和氨气的混合气氛围中进行800℃高温退火处理2 h，得到目标产物钼氮共掺杂花型碳纳米球；

（4）钼、氮共掺杂花型碳纳米球/硫复合材料的制备

将步骤(3)所制备的钼氮共掺杂花型碳纳米球和单质硫按质量比3:7进行球磨混合均匀，装入容量瓶中，于165℃烘箱中反应12h，反应完成后冷却至室温，获得氮掺杂倒刺碳纳米球/硫复合材料。