[发明专利]一种碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料的制备方法，所述碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料外部由均匀的碳包覆，所述材料的内部为中空硫化锌结构，所述碳纳米纤维直径为1.2-2.0μm，所述中空硫化锌尺寸为500-700nm，所述硫化锌占所述碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料质量百分数23-50％，其特征是，采用沸石咪唑有机骨架ZIF-8作为模板，通过静电纺丝、水热法，利用离子扩散速率差异，得到中空结构硫化锌，再经过后续热处理，得到碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料；具体包括如下步骤：

(1)沸石咪唑有机骨架ZIF-8的制备：取可电离出Zn²⁺的金属盐溶于醇类溶剂中，搅拌溶解；另取甲基咪唑溶于醇类溶剂中，搅拌溶解；后将二者混合搅拌后，静置，经离心、洗涤、干燥后，得到沸石咪唑有机骨架材料ZIF-8；

(2)聚丙烯腈包覆ZIF-8纳米纤维膜的制备：首先将所述步骤(1)中制备好的ZIF-8分散到N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，间歇超声、搅拌，使ZIF-8在溶剂中均匀分散；然后将ZIF-8质量分数30％-60％的表面活性剂溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌溶解；再将表面活性剂溶液倒入ZIF-8分散液中，继续搅拌，得到均匀分散的溶液A；再取聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，加热搅拌溶解得到溶液B，最后将溶液A加入到溶液B中，持续搅拌，得到均一、稳定的纺丝液；进行静电纺丝，得到聚丙烯腈包覆ZIF-8纳米纤维膜；

(3)聚丙烯腈包覆中空硫化锌纳米纤维膜的制备：将所述步骤(2)得到的聚丙烯腈包覆ZIF-8纳米纤维膜裁剪，分散浸泡在醇类溶剂中，再将硫代乙酰胺溶解到醇类溶剂中，室温搅拌；最后将硫代乙酰胺溶液加入到纤维膜的醇类分散液中，油浴回流，产物分离、洗涤、干燥得到聚丙烯腈包覆中空硫化锌纳米纤维膜；

(4)热处理：将所述步骤(3)得到的聚丙烯腈包覆中空硫化锌纳米纤维膜材料在空气气氛下进行预氧化；而后在惰性气氛中，进行碳化，最后得到碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料。

2.根据权利要求1所述的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的可电离出Zn²⁺的金属盐为二水合醋酸锌或六水合硝酸锌的一种或多种组合；醇类溶剂为无水乙醇或无水甲醇中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述可电离出Zn²⁺的金属盐溶于醇类溶剂中的质量浓度为2.2-4.4mg/mL；所述甲基咪唑溶于醇类溶剂中的质量浓度为12mg/mL。

4.根据权利要求1所述的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的表面活性剂为F127、PVP中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1所述的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述ZIF-8分散到N,N-二甲基甲酰胺溶剂中的质量浓度为133-267mg/mL；所述表面活性剂占所述ZIF-8的质量分数30％-60％。

6.根据权利要求1所述的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述硫代乙酰胺溶解到醇类溶剂中的浓度为25-35mg/mL。

7.根据权利要求1所述的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在空气气氛下，260-280℃进行预氧化，升温速率1-2℃/min，保温时间1-3h；而后在惰性气氛中，500-900℃下进行碳化，升温速率1-10℃/min，保温时间2-4h；所述惰性气氛为氮气或氩气。

8.按照权利要求1～7任一方法制得的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料。

9.如权利要求8所述的碳纳米纤维包覆中空硫化锌材料作为锂离子电池或钠离子电池柔性电极中的应用。