[发明专利]同时优化配位环境和孔结构的金属单原子催化剂、制备方法及其在锂硫电池上的应用

说明书

一种同时优化配位环境和孔结构的金属单原子催化剂、制备方法及其在锂硫电池上的应用，属于电化学领域。该催化剂以带状CdS作为模板、造孔剂和S源，含氮原子聚合物作为C源、N源；其中，金属单原子包括锰、铁、镍、钴，含氮原子聚合物包括聚吡咯、聚苯胺。由于分级多孔的空心结构、C‑S‑C和金属‑N位点之间的协同作用，使得金属单原子催化剂在物理和化学层面均能够有效提升其对多硫化物的催化/吸附能力，进而全方位提升锂硫电池的性能，推进其商业化进程；该催化剂制备过程简单、原材料价格低廉。将该催化剂作为隔膜修饰材料应用于锂硫电池上，能够有效提升锂硫电池的倍率性能及其循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种高活性金属单原子催化剂的制备和应用，尤其涉及一种同时优化配位环境和孔结构的金属单原子催化剂制备方法及其应用于锂硫电池上作为隔膜修饰材料，达到抑制多硫化物“穿梭效应”、提升对硫及其放电产物的利用率和缓解充放电过程中体积变化的效果，进而提升锂硫电池倍率性能和循环稳定性。

背景技术

锂硫电池因其优异的能量密度(2600Wh kg^-1)和低制备成本被认为是最具有发展前景的储能系统之一，但其仍存在许多不足，这阻碍了它们的实际应用。例如，活性材料利用率不足、严重的自放电、充放电过程中体积变化大等。其中，多硫化物的“穿梭效应”和硫及其放电产物的绝缘性是导致电化学性能差的两个主要原因。为了缓解这些问题，最普遍的策略是引入导电碳作为改性隔膜材料。然而，非极性碳与多硫化物之间的相互作用较弱，导致循环性能不能令人满意。近年来，经研究发现极性材料普遍具有优异的多硫化物吸附和催化作用。然而，极性材料较差的导电性和低比表面积不利于电化学性能的提升。因此，寻找新型多功能催化剂来提高锂硫电池的性能是一种推进其商业化应用的有效措施。

金属单原子催化剂被认为是提升锂硫电池性能的最有前途的材料。主要是由于以下几点：(1)碳载体优异的导电性提高了硫及其放电产物的利用率；(2)合理的孔隙结构及高比表面积可以缓解电池运行过程中的体积变化；(3)金属-氮位点优异的催化/吸附能力能够有效抑制“穿梭效应”。目前的大部分报道主要是针对催化活性和孔结构其中之一进行优化，导致其催化活性远没有达到理想的效果。

单原子催化剂的活性主要取决于其配位结构的合理设计和优化。众所周知，在催化剂中掺杂异质原子可有效提高材料的催化和吸附性能。同时，碳载体的电子特性和导电性也可以得到进一步改善。硫原子(S)作为p区元素之一，具有较低的电负性。将S原子引入催化剂能通过调节吸/供电子能力能够改变单原子周围的电子结构，从而实现提升催化活性的目的。此外，构建合理孔分布的中空结构是另一种有效提高催化性能的方法。这是因为中空结构的存在有利于离子/电子的快速传输；缓解充放电过程中的体积变化。那么，寻找一种能够同时实现异质原子掺杂、优化孔结构和构建中空结构的策略对于单原子催化剂的应用具有重要意义。

针对以上问题，本发明采用传统的模板法制备出具有高催化活性、合理孔径分布和高比表面积的金属M单原子催化剂(M＝Mn、Fe、Co、Ni)。所制备的催化剂是以金属-氮(M-N)活性位点为基础，引入非金属S原子对M-N位点的配位环境进行调控，其中M优选为Mn。通过对催化剂各元素的成键方式进行分析后得出，S原子在碳载体上是以C-S-C键方式存在，因此间接影响了催化位点周围的电子排布。在孔结构方面，由于热解过程中模板分解，导致催化剂变为空心结构；，产生的Cd纳米颗粒在高温条件下蒸发溢出，对外层的衍生碳材料具有造孔的效果。原子级分散的M-N位点和边角C-S-C之间的协同作用能够很大程度上优化催化剂对多硫化物的催化和吸附能力；空心结构能够在电池充放电过程中缓解内部的体积变化，有利于离子/电子的传输；分级多孔结构可以暴露更多的活性位点。基于以上多重作用，该催化剂可以有效提升锂硫电池的整体性能。

发明内容

针对现有技术中合成方法的不足，本发明提出一种同时优化配位环境和孔结构的金属单原子催化剂制备方法及其作为隔膜修饰材料应用于锂硫电池上。

为了达到上述目的，本发明采用的具体技术方案是：