[发明专利]一种高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料的制备方法及应用

说明书

一种高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料的制备方法及应用，本领域涉及高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料的制备方法领域。本发明要解决现有低金属原子利用率、低金属单原子负载量等导致催化位点不足的技术问题。方法：先制备具有金属单原子配位氧负载中空碳材料；再通过一步浸渍双吸附结合一步高温热处理制备高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料，负载硫。该复合材料作为S正极应用于锂硫电池。成本低、工艺简单、环境友好、能耗低、无毒性有机试剂，工艺成熟，能开展大规模生产。本发明制备的复合材料作为S正极用于锂硫电池领域。

技术领域

本领域涉及高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料的制备方法及应用领域。

背景技术

高理论能量密度(2500W·h·kg^-1)的锂硫(Li-S)电池由于制备成本低、轻质、环境友好等优势，成为最具研究前景和价值的下一代储能候选者之一。然而仍存在一些固有因素限制其商业化发展。1)单质硫及硫化锂电子电导率低，导致缓慢的电子传输，影响反应动力学速率；2)硫还原过程中生成长链多硫化锂，易于溶解在电解液中，发生典型的“穿梭效应”，产生不可逆的副反应；3)电极反应过程中存在固相-液相及固相-固相转化反应，存在较大的反应能垒，限制反应动力学速率；4)单质硫及放电产物硫化锂存在大的密度差异，造成充放电过程中的体积效应，易于导致电极结构崩塌、粉碎等等。

为了解决上述问题，研究者引入导电性碳、极性金属化合物、单原子等功能基元，在一定程度上解决了电极循环性能快速衰减、活性物质利用率较低等问题，但是仍存在低金属原子利用率、低金属单原子负载量等导致催化位点不足等问题，且目前对于提高金属单原子负载量、改性金属原子电子结构仍然处于开始研究阶段。

发明内容

本发明要解决现有低金属原子利用率、低金属单原子负载量等导致催化位点不足的技术问题，而提供一种高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料的制备方法及其应用。

本发明先制备具有金属单原子配位氧负载中空碳材料；再通过一步浸渍双吸附结合一步高温热处理制备高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料，负载硫。

一种高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料的制备方法，具体按以下步骤进行：

步骤一、将金属盐A分散在含表面活性剂的溶剂中，获得澄清溶液A；将配体分散在溶剂中形成澄清溶液B；

步骤二、将步骤一获得的溶液B加入到溶液A中，均匀混合，室温下沉降获得沉淀，用溶剂洗涤多次，干燥，获得白色沉淀物；

溶液A中金属盐与溶液B中配体的摩尔比为1：(1～3)；

步骤三、将步骤二中白色沉淀物放入管式炉中，惰性氛围热处理1～4h，冷却室温后将热处理后产物浸渍在刻蚀液中12～48h，洗涤，干燥，获得具有单金属原子配位氧负载中空碳材料；

步骤四、将步骤三中具有单金属原子配位氧负载中空碳材料加入到分散液中，分散均匀，加入氮源和金属盐B，搅拌混合12～24h，然后洗涤干燥，获得含氮前驱材料；

步骤五、将步骤四中含氮前驱材料放入管式炉中，惰性氛围下，控制温度为800～810℃，高温热处理10～180min，获得高载量金属原子配位氮、氧负载中空的碳材料；

步骤六、将升华硫与步骤五中所述碳材料混合，升华硫与碳材料质量比为(3～5)：1，在惰性氛围下，预热至硫熔融液体形态保持2-24h，研磨，然后在惰性氛围的管式炉中进行二次热处理，控制二次热处理温度为200～300℃，时间为1-3h，获得所述一种高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料，制备完成。

本发明制备的一种高载量金属原子配位氮、氧负载中空碳/硫复合材料，它由一步浸渍吸附结合高温热处理制备而成。所述含硫复合材料中单质硫的质量分数为60％～80％。