[发明专利]一种BC负载MOFs衍生CNF/CoP复合材料及其制备与应用方法

说明书

本发明涉及功能材料领域，具体涉及一种BC负载MOFs衍生CNF/CoP复合材料及其制备与应用方法。制备方法包括以下步骤：步骤1，将10～50mg BC与358mg的Co(NO₃)₂·6H₂O放入40ml甲醇溶液中，随后与40ml含816mg的2‑甲基咪唑的甲醇溶液混合，搅拌均匀后于室温下静置，离心洗涤干燥得到BC/ZIF‑67；步骤2，按照1：15的质量比称取BC/ZIF‑67与NaH₂PO₂·H₂O于250～300℃下进行高温固相反应后，洗涤干燥得到BC/CoP；步骤3，随后于600～700℃下将BC/CoP高温碳化，获得CNF/CoP复合材料。本发明公开的CNF/CoP复合材料保留了BC的超精细网状结构，能够提高对多硫化物的吸附效果，且ZIF‑67衍生的CoP对多硫化物的化学吸附和催化作用，能够有效限制多硫化物的“穿梭效应”，应用于修饰隔膜材料后可使Li‑S电池具备较好的电化学性能。

技术领域

本发明涉及功能材料领域，具体涉及一种BC负载MOFs衍生CNF/CoP复合材料及其制备与应用方法。

背景技术

在现有的各种储能体系中，Li-S电池(Li-S)是一种新型能源存储系统，这是由于Li-S电池具有较高的理论质量比容量(1675mAh/g)和理论质量能量密度(2600Wh/kg)。而且正极材料单质硫储量丰富、兼具环境友好、成本低廉等诸多优点。然而，阻碍当前Li-S电池发展的主要问题是多硫化物的“穿梭效应”，单质硫正极在充放电过程中形成可溶性的多硫化物中间产物，多硫化物在电解质中扩散至锂负极，并在锂负极表面不断沉积，从而造成电池内部阻抗增加，电化学性能急剧下降，因此抑制多硫化物的穿梭效应就成为提高当前Li-S电池综合性能的关键所在。隔膜作为Li-S电池的关键组成部分，所采用的商业聚烯烃隔膜(PP、PE或者PP/PE)孔径比较大导致多硫化物容易穿梭到负极，在隔膜上修饰一层功能材料是一种抑制多硫化物的“穿梭效应”的较为简单有效的方式。

金属有机框架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)作为一种多孔的无机有机杂化材料，ZIF-67(钴基咪唑酯骨架结构材料)是MOFs材料中的一种，具有孔隙率高、比表面大、稳定性好等优点。另外，ZIF-67及其衍生的硫化钴、氮化钴和磷化钴等含钴化合物属于极性化合物，对多硫化物具有化学吸附和催化作用，能够有效限制多硫化物的“穿梭效应”。例如，[J.He,Y.Chen,A.Manthiram.Vertical Co9S8 hollow nanowall arrays grown on aCelgard separator as a multifunctional polysulfide barrier for high-performance Li-S batteries[J].Energy Environ.Sci.,2018,11(9):2560-2568.]中报道了一种简单可行的原位液体生长反应法，在Celgard隔膜上生长一层具有垂直中空纳米结构的Co-MOF衍生的Co₉S₈纳米阵列，作为Li-S电池中限制多硫化物“穿梭效应”的有效屏障，表现出优异的电化学性能。[J.F.Wang,J.Li.Cobalt-based zeolitic imidazolateframeworks modified separator as efficient polysulfide adsorbent for highperformance lithium-sulfur batteries[J].Journal of Colloid and InterfaceScience,2021,584354-359.]中报道了一种简单的策略，利用ZIF-67来修饰原始聚丙烯薄膜，具有良好的循环性能和倍率性能。但是ZIF-67及其衍生化合物的导电性较差，作为Li-S电池隔膜修饰层将难以保证被吸附的多硫化物与催化剂表面之间的有效电荷转移。通常是将ZIF-67进行高温碳化处理或与一些导电碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维等复合后用于Li-S电池的隔膜修饰，表现出优异的电化学性能。