[发明专利]一种金属有机框架MOF-808膜基功能性夹层材料的制备方法及应用

说明书

本发明为一种金属有机框架MOF‑808膜基功能性夹层材料的制备方法及应用。该方法包括如下步骤：将八水合氧氯化锆和均苯三甲酸溶于去离子水中，常温下磁力搅拌30‑60min，然后加入三氟乙酸，超声30‑60min得到合成液；然后将碳纳米管(CNT)薄膜圆片垂直浸没于上述合成液中，110‑130℃生长3‑5h，得到MOF‑808/CNT膜。本发明得到的MOF‑808/CNT膜夹层材料操作简单，易于放大，适合工业化生产；用于锂硫电池中正极与隔膜之间的夹层材料，可以显著提高锂硫电池性能，其可逆容量可达到1292mAh g^‑1，且循环性能稳定。

技术领域

本发明的技术方案涉一种金属有机框架MOF-808膜基夹层材料的制备方法及应用，属于锂硫电池技术领域。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭，开发新型可再生清洁能源成为人们关注的焦点。以单质硫或含硫化合物为正极、金属锂为负极的锂硫二次电池(简称锂硫电池)具有超高的理论比容量(1675mAh g^-1)和能量密度(2600Wh kg^-1)，远超现在的锂离子电池。此外，其正极材料硫无毒，成本低廉。因此，锂硫电池被认为是最有发展潜力的下一代储能电池，具有广阔的应用前景。

然而，当前锂硫电池的商业化应用仍面临多个技术难题，如硫的绝缘性、体积膨胀、多硫化物的“穿梭效应”等。其中，充放电过程中，正极产生的多硫化物(S_n^2-，2≤n≤8)易溶解于电解液，并在电势差和化学势差的共同作用下穿过隔膜向负极扩散，并与负极金属锂发生反应，引起穿梭效应，不仅会引起电池电极材料的不可逆损失，还会造成充放电过程中体积膨胀效应以及电池性能及寿命的衰减，成为阻碍锂硫电池商业化应用的主要技术瓶颈。

为了解决上述问题，在正极和隔膜之间引入功能性夹层材料可以起到多硫化物阻隔层的作用，阻止多硫化物的扩散出正极区域，从而可以提高活性物质利用率，提高电池的电化学性能，是抑制多硫化物穿梭效应的有效策略和研究热点。这些功能性夹层材料一般是基于多孔材料构筑。尤其是，金属有机框架(Metal organic Frameworks，MOFs)材料因具有孔道规则、比表面积大，可修饰性良好等特点，作为锂硫电池夹层材料具有独特的优势。当前研究主要利用ZIF-8、ZIF-67、MIL-125(Ti)等MOFs或其衍生材料对多硫化物的吸附或催化转化，设计锂硫电池功能性夹层材料。由于MOFs材料吸附或催化位点有限，对穿梭效应的抑制存在一定的上限。此外，为了增加导电性，一般需要对MOFs进行高温碳化，这会破坏MOFs材料的活性金属位点和多孔结构，降低其对多硫化物的束缚能力。因此，如何根据MOFs材料的特点设计基于原始MOFs的锂硫电池夹层材料对于抑制穿梭效应，提高锂硫电池性能具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种金属有机框架MOF-808膜基功能性夹层材料的制备方法及应用。该方法使用碳纳米管(CNT)薄膜作为基底材料，通过原位溶剂热法在基底材料上制备MOF-808膜。本发明得到的MOF-808/CNT膜夹层材料可以显著提高锂硫电池性能，其可逆容量可达到1292mAh g^-1，且循环性能稳定。

本发明的技术方案为：

一种金属有机框架MOF-808膜基功能性夹层材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

将八水合氧氯化锆和均苯三甲酸溶于去离子水中，常温下磁力搅拌30-60min，然后加入三氟乙酸，超声30-60min得到合成液；然后将CNT薄膜圆片垂直浸没于上述合成液中，110-130℃生长3-5h，得到MOF-808/CNT膜；

其中，合成液中物料的摩尔比为，八水合氧氯化锆：均苯三甲酸：三氟乙酸：水＝(2-3):1:(60-70):(500-600)；

所述的金属有机框架MOF-808/CNT膜的应用，用于锂硫电池中正极与隔膜之间的夹层材料。