[发明专利]一种纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳的制备方法及其在锂硫电池中的应用

说明书

本发明公开一种纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳的制备方法及其在锂硫电池中的应用，该方法首先制备含有无机物纳米球模板的前驱体溶液，再以钴盐和2‑甲基咪唑作为钴源和碳源、氮源，以无机物纳米球作为模板，制备前驱体，然后对前驱体进行高温碳化和还原处理，最后去除模板和部分金属钴，得到纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳。本发明提供的制备方法以钴盐为源、以2‑甲基咪唑为碳源、氮源，以无机物纳米球作为模板，通过搅拌蒸发溶剂法制备前驱体，使得前驱体产率接近100％，可有效的提高最终产物纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳的产量，从而有利于大规模生产制备；该制备方法制备的三维多孔碳可应用在锂硫电池中，有效提高锂硫电池的硫载量和电化学性能。

技术领域

本发明涉及纳米碳材料及其制备技术领域，尤其是一种纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳的制备方法及其在锂硫电池中的应用。

背景技术

锂硫电池具有高理论比容量(1672mAh/g)和高能量密度 (2600Wh/kg)，以及硫单质资源丰富、价格便宜、对环境友好等优点，被视为最有发展前景的下一代高能量密度二次电源。但锂硫电池存在的以下问题制约了其性能的发挥：(1)硫正极导电性差(室温下仅5×10^-30S/cm)，严重降低硫的利用率和电池的倍率性能；(2) 放电过程中长链聚硫锂(Li₂S_x，x＝3～8)在醚类电解液中溶解，形成“穿梭”效应，导致较低的库伦效率和可逆容量；(3)循环过程中硫正极较大的体积变化造成电池结构破坏。

为了克服以上缺点，一种最常见的策略是构建具有高导电性、强聚硫离子吸附作用和丰富孔结构的多孔碳复合硫正极。MOFs(金属有机框架，Metal Organic Frameworks)材料具有高比表面积、丰富的微孔结构以及大量活性金属位点，在气体存储、催化、吸附、化学能源、生物传感等领域受到了越来越多的重视。最近几年以来，MOFs 衍生的多孔碳杂化材料由于具有丰富的微孔结构、良好的催化和吸附作用而被应用于锂硫电池载硫基体材料。如Dong等(DOI： 10.1039/C6EE00104A)将硝酸钴的甲醇溶液和2-甲基咪唑的甲醇溶液进行混合反应制备金属有机框架结构ZIF-67，然后将ZIF-67在高温惰性气氛下热处理，酸刻蚀后得到纳米Co-N掺杂微孔碳(Co-N-GC) 作为硫载体，发现该Co-N-GC材料不仅具有良好的电子传导性，而且能够有效的吸附聚硫离子以及起到催化硫转化，从而能够有效的改善材料的容量、倍率性能以及循环性能。但这种单纯碳化MOFs得到的纳米金属-微孔碳具有以下不足：(1)合成ZIF-67过程中产率过低(约20％)，导致最终得到的纳米Co-N掺杂微孔碳材料难以大规模生产制备；(2)制备的纳米Co-N掺杂微孔碳材料中主要为微孔结构，缺乏介孔、大孔结构，难以容纳大量的硫和缓冲充放电过程中硫正极的体积变化，不利于制备高能量密度、高性能锂硫电池。因此，制备一种具有高产率的富含介孔、大孔结构的MOFs衍生的多孔碳杂化材料对于改善高硫载量下锂硫正极的电化学性能以及实现大批量制备具有十分重要的意义和应用价值。

发明内容

本发明提供一种纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳的制备方法及其在锂硫电池中的应用，用于克服现有技术中的不足，实现三维多孔碳的大规模生产制备，该三维多孔碳不仅具有丰富的微孔结构，还具有介孔、大孔结构，形成分级多孔三维网络导电碳结构，有效提高锂硫电池的硫载量和电化学性能。

为实现上述目的，本发明提出一种纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无机物纳米球加入甲醇中超声分散，然后加入钴盐搅拌溶解，再加入2-甲基咪唑甲醇溶液，得到前驱体溶液；

(2)将前驱体溶液进行搅拌反应，然后加热搅拌使溶剂蒸干，得到灰紫色前驱体粉末；

(3)将灰紫色前驱体粉末置于惰性还原气氛下进行热处理，得到黑色粉末；

(4)将黑色粉末置于酸性水溶液中洗涤，过滤、干燥后，得到纳米钴负载的氮掺杂三维多孔碳材料。