[发明专利]一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，锂空气电池的空气电极多采用商业化炭黑(如KB系列、XC-72和XC-72R、BP2000等)、自制活性炭、炭汽凝胶、石墨烯和氧还原催化剂作为电极材料。其中，自制活性炭和炭汽凝胶大都制备工艺复杂且制备量有限，不宜工业生产。石墨烯制备工艺复杂且不易制备，导致其价格昂贵。商业化炭黑虽能大量生产，价格适中。然而，锂空气电池中空气电极侧(也就是锂空气电池正极)存在的主要问题是：空气电极侧的氧还原过电位往往成为限制锂空气电池能量密度的主要因素。由于常用炭黑材料结构的限制，需要与氧还原催化剂一同使用才能一定程度上降低锂空气电池空气电极侧的氧还原过电位。

在迄今的文献报道和专利申请中，硫或硫-氮杂炭的炭源均为石墨类碳(如多壁/单壁碳纳米管，碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成，管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。)，并且大都使用在光催化领域(参考文献，1.Shanhong Wang，Liping Wang，Qunji Xue，Investigation of microstructure and photo-magnetic properties of sulfur-doped DLC nanocomposite films by electrochemical method，Applied Physics A，102(2011)，753-760；2.Frank Mendoza，Vladimir Makarov，Arturo Hidalgo，Brad Weiner，Gerardo Morell，Ultraviolet photosensitivity of sulfur-doped micro-and nano-crystalline diamond，Journal of Applied Physics，109(2011)，114904-1-6；3.Tongxiang Cui，Ruitao Lv，Zheng-hong Huang，Feiyu Kang，Kunlin Wang，Dahai Wu，Effect of sulfur on enhancing nitrogen-doping and magnetic properties of carbon nanotubes，Nanoscale Research Letters，77(2011)，1-6；4.Xia Yuan，Xiaojuan Wu，Yuliang An，Qingqi Hou，Synthysis of S doped Y-junction carbon by CVD method，Advanced Materials Research，183(2011)，1731-1735)。另外，现有的硫或硫-氮杂炭一般采用化学气相沉积(CVD)或高能辐射等复杂、高耗能、制备设备昂贵的合成方法，因此不利于材料的推广使用。

发明内容

本发明为了解决现有炭材料应用在锂空气电池中存在的氧还原过电位较高的缺点问题，提供了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，以炭黑(carbon black，又名碳黑，一种无定形碳)为炭源，掺杂有硫或硫-氮，成本低且电化学性能优良。

本发明还提供了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，操作简单，易于批量制备。

一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，是将硫元素掺杂到炭材料而形成的硫杂炭材料，或者是将硫元素和氮元素两种掺杂到炭材料而形成的硫-氮杂炭材料；所述的炭材料为碳黑。

所述的碳黑可选用市售产品，如常用商品Cabot系列炭材料、Ketjen Black系列炭材料、Kuraray系列炭材料、BP2000炭材料或其他炭材料。

为了达到更好的发明效果，优选：

所述的硫杂炭材料中硫元素的质量百分含量为0.1％-20％；

或者，所述的硫-氮杂炭材料中硫元素和氮元素两种的总质量百分含量为0.1％-20％。可进一步提高电池性能。

硫元素和氮元素两种中硫元素与氮元素的质量比可按任意比。

本发明中是为了在炭材料中掺杂硫元素或硫元素和氮元素两种，因此只要掺杂原料中含有硫元素或硫元素和氮元素两种能通过现有掺杂技术掺杂到炭材料中即可，至于掺杂原料的形态本发明没有特别的限定。