[发明专利]具有硫催化功能的含氮高熵MXene、隔膜复合材料及电池

说明书

本发明公开了一种用于电池具有硫催化功能的含氮高熵MXene，所述电池为锂硫电池，所述含氮高熵MXene的化学式表示为：M’X，其中，所述M’选自IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIII、IB、IIB族中的至少五种金属元素；X为C和N元素。本发明的含氮高熵MXene存在机械应变和五种以上金属‑N键的作用下，对LiPSs表现出良好的吸附和催化能力，表现出高的Lisubgt;2/subgt;S沉积容量，应用于锂硫电池中，在Li‑S电池中实现了高倍率性能和较长的循环寿命。

本申请要求2021年5月21日向中国专利局提交的、申请号为202110560272.7、发明名称为“含氮中熵或高熵MAX相材料及其制备方法和应用”和申请号为202110560245.X、发明名称为“含氮新型MAX相材料和二维材料的制备方法及用途”的中国专利申请的部分优先权，该两件申请的部分内容通过引用结合在本发明中。

技术领域

本发明是关于新材料领域，特别是关于一种高熵MXene在电池中的应用，更具体的涉及一种具有硫催化功能的含氮高熵MXene、隔膜复合材料及电池。

背景技术

高熵材料(HEMs)由于其组成的多样性和意想不到的物理化学特性，在能源存储与转化领域具有巨大潜力。目前报道的所有HEMs均为3D块状，其内部具有很强的化学键，从而导致原子层剥离困难重重。此外，在高温冶金等传统合成过程中，由于混合熵的降低，使得高熵原子层中的相很容易产生分离。

近年来，研究人员发现通过MAX相中M位掺杂多种过渡金属原子能够成为合成高熵材料的一种途径，MAX相也被称为M_n+1AX_n(n＝1,2,3)，其中M代表早期过渡金属元素，A主要来自第13-16族的元素，X代表C和/或N。本申请人在前期研究工作中，成功地合成得到了高熵MAX相材料，如：文章Advanced Materials 2021,33(39):2101473，报道了高熵氮化物Ti_1/5V_1/5Zr_1/5Nb_1/5Ta_1/5)₂AlC，专利CN202110560272公开了高熵碳氮化合物(Ti_1/3V_1/6Zr_1/6Nb_1/6Ta_1/6)₂AlC_xN_1-x等等，通过刻蚀其中的A组分，进一步合成得到了高熵MXene二维材料(MX)，如：(Ti_1/5V_1/5Zr_1/5Nb_1/5Ta_1/5)₂C、(Ti_1/3V_1/6Zr_1/6Nb_1/6Ta_1/6)₂C_xN_1-x等等；其中五种过渡金属物种基于固溶体特性均匀地分散于MX层中。得益于高摩尔构型熵和相应的低吉布斯自由能，五种尺寸相容的过渡金属元素使MXene在原子层中保持稳定，由此产生的高熵MXene表现出明显的晶格畸变，从而导致原子层中的高力学应变。如何利用这类新型高熵MXene二维材料的特殊物理化学性质，将其应用于工业生产和生活中，发挥出价值，是接下来要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含氮高熵MXene在电池中的应用，利用高熵MXene的高力学应变特性和过渡金属-氮化学键协同产生的高促硫催化活性，应用于锂硫电池中。

本发明提供的一种用于电池具有硫催化功能的含氮高熵MXene，电池为锂硫电池，含氮高熵MXene的化学式表示为：M’X，其中，M’选自IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIII、IB、IIB族中的至少五种金属元素；X为C和N元素。