[发明专利]一种高负载Mn-N活性位点掺杂碳材料催化剂的制备方法及其在锂硫电池上的应用

说明书

本发提供一种高负载Mn‑N活性位点掺杂碳材料催化剂的制备方法及其在锂硫电池上的应用，属于储能电池领域。该催化剂采用锰掺杂锌基金属有机框架Mn‑ZIF‑8作为前驱体，经过高温热解蒸发锌Zn原子以及氨气NH₃处理增加基底材料上空位和氮原子锚定位点数量，然后二次吸附锰离子增加Mn‑N位点掺杂量。该合成方法两步均采用原位负载Mn‑N位点，同时优化了催化剂的孔径结构、提升了氮原子掺杂量。将本发明制备的催化剂于应用锂硫电池时，高负载的Mn‑N活性位点和氮原子不仅增加了催化剂对多硫化物的催化和吸附效果，同时高导电性的碳材料基底保证硫单质及Li₂S/Li₂S₂的较高利用率。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种Mn-N活性位点掺杂碳材料催化剂及其制备方法和应用，尤其涉及一种高负载Mn-N活性位点掺杂碳材料催化剂的制备方法及其作为修饰材料应用于锂硫电池隔膜修饰材料，达到对多硫化物的催化和吸附效果。

背景技术

锂硫电池是一种新型的二次储能电池，它具有较高的理论比容量(1675mAh g^-1)和能量密度(2600Wh kg^-1)；同时，单质硫作为正极材料具有来源广泛、价格低廉、污染小等优势。因此，是一种很有前景的二次储能体系。然而，其自身很多不足却大大的限制了它的发展：(1)硫单质绝缘的性质导致其利用率较低(电导率约为5×10^-30S cm^-1，25℃)；(2)充放电过程中电池内部的体积变化较大(约80％)；(3)由于多硫化物的“穿梭效应”导致的比容量衰退较快和较低的库伦效率。

针对于以上问题研究者提出众多解决方案，结果表明引入高导电性材料(碳材料、MXene)与硫单质复合能够有效提升硫的利用率。通过采用高比表面积(空心结构、核壳结构)能够有效的缓解充放电过程中体积的变化，保障电池的安全性。“穿梭效应”则是通过物理/化学两种作用抑制，一种是采用“分子筛”作用来阻止多硫化物扩散至负极区域；另一种则是采用与多硫化物形成化学键来限制其扩散。

金属-氮(M-N)活性位点负载于碳材料上作为催化剂应用于锂硫电池上时，因为M-N活性位点优异的催化和锚定效应能够加速多硫化物的转化并限制其扩散；同时，碳基底材料杰出的导电性还能够有效的提升硫及放电产物的利用率。然而，M-N活性位点在碳材料上的低负载量一直的该类催化剂所面临的最大问题。特别是高负载锰-氮(Mn-N)活性位点掺杂碳催化剂的制备，因为锰元素具有较多价态(0～+7)容易形成化合物；同时，极容易在热解过程中团聚成簇或者颗粒结构等导致制备该催化剂更为困难。

为了解决上述问题，本发明采用两步原位制备高负载Mn-N活性位点的工艺，该工艺具有以下几点优势：(1)所使用的工艺能够有效的提升Mn-N活性位点在碳材料上的负载量；(2)金属有机框架(MOF)本征高含氮量及氨气处理能够极大的增加氮原子的掺杂量；(3)氨气刻蚀效应及锌原子蒸发能够极大的优化催化剂的孔径结构；(4)整个实验流程的制备步骤均是原位掺杂活性位点，有利于催化剂性能的进一步优化。

发明内容