[发明专利]氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片及制备方法和应用

说明书

本发明提供一种氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片及制备方法及应用，包括如下步骤：(1)在水和乙醇混合溶液中，用氯化钨、氧化石墨烯制备均匀分散的溶液；(2)将分散液置于水热釜中反应；(3)用水和乙醇清洗干净获得的产物并干燥处理；(4)将前驱体进行氨化处理最后可获得氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片。本发明制备的氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片隔膜中间层作为一种高效的多硫化物催化剂和吸附剂具有优异的锂硫电池性能。该方法为锂硫电池多功能隔膜应用的设计提供了新的思路。

技术领域

本发明属于新型锂硫电池隔膜修饰材料的制备，特别是一种氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法及应用。

背景技术

锂硫电池的快速发展，凭借其理想的理论容量(1675mAh g^-1)、能量密度(2600Whkg^-1)、成本效益、无毒和地球丰富度等优势，已成为下一代能源存储系统的首选。然而，实现锂离子电池商业化应用的目标受到了各种瓶颈的阻碍。首先，硫的绝缘性和Li₂S₂/Li₂S的电导率差限制了硫的利用，导致硫容量衰减快，具有较差的倍率性能。其次，溶解在电解质中的多硫化物会引起穿梭效应，同时，Li₂S沉积在锂金属负极上，会导致较低的库仑效率和严重的自放电行为。从多硫化物到Li₂S₂的固液相变以及从Li₂S₂到Li₂S的固固相变阻碍了电化学动力学的转换，导致放电过程过早终止以及缓慢的反应动力学。因此，大力探索高导电性电催化剂是调节穿梭效应、加速多硫化物氧化还原反应动力学的可行方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种简单、高效的制备氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片并应用于锂硫电池隔膜的改性的方法。

本发明中，研究者发现了一种氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片并用于锂硫电池隔膜的改性。这种材料集成的微纳米结构特点：氮掺杂的石墨烯纳米片显著得提高了材料的导电性，丰富的离子/电子传递的传导途径；具有大量活性位点的导电氮化钨纳米针不仅有利于电子/离子转移，提高活性物质的利用，而且作为多硫化物锚定介质，可以促进Li₂S的均匀成核和生长，从而加强多硫化物转化的氧化还原动力学。本发明实验过程简单、重复性好、成本低廉，为过渡金属氮化物复合材料在锂硫电池中的应用提供了可行的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片及制备方法和应用。

一种氮化钨纳米针复合氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：前躯体的制备：以50-100毫克氯化钨、1-5毫克氧化石墨烯为原料，以25-40毫升水和25-40毫升乙醇为溶剂，先将氯化钨粉末溶解在乙醇中得溶液A，石墨烯超声分散在水中得溶液B，将溶液A和B混合并室温下搅拌0.5小时；

步骤2：前躯体的制备：将上述混合溶液放入反应釜中，在180℃下水热3-12小时；水热反应并收集产物，得到黑色前躯体粉末；

步骤3：氨化过程：在氨气氛围下将黑色前躯体粉末通过管式炉进行高温退火处理，高温退火为600℃保持2个小时，得到最终产物粉末。

作为优选方式，步骤1进一步为：以50-100毫克氯化钨、1-5毫克氧化石墨烯为原料，以25-40毫升水和25-40毫升乙醇为溶剂，先将氯化钨粉末溶解在乙醇中得溶液A；将氧化石墨烯放入去离子水中，通过细胞粉碎机超声0.5小时，得到均匀的分散液B，将溶液A和B混合并室温下搅拌0.5小时。

作为优选方式，步骤3中，管式炉中升温速率为每分钟5℃。