[发明专利]一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料，其特征在于，硼氮硫共掺杂多孔碳基体中均匀分散着细小的CoS₂纳米颗粒。

2.一种如权利要求1所述二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，首先分别以金属有机框架材料(ZIF-67)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为钴源、含氮碳源和造孔剂，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为限域溶剂，制得混合胶体；将混合胶体先进行加热预碳化，然后进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH₄HB₄O₇·3H₂O)为硼源进行硼掺杂，得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)；最后对其进行硫化处理获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS₂/BNSC)。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)在室温下，采用化学沉淀法制备具有十二面体形状的ZIF-67；

(2)在室温下，将聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，之后将步骤(1)制得的ZIF-67超声分散于溶液中，加热搅拌蒸发部分溶剂，制得粘稠状胶体；

(3)将步骤(2)中制得的胶体在惰性气氛中加热预碳化，然后进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH₄HB₄O₇·3H₂O)作为硼源进行硼掺杂，得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)；

(4)将步骤(3)得到的金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)与升华硫粉末按一定比例混合后，在惰性气氛保护下进行硫化处理，获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS₂/BNSC)。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体为：配制浓度为1～2mol/L的2-甲基咪唑水溶液；将此2-甲基咪唑水溶液缓慢滴加到0.3～0.8mol/L的NaOH水溶液中，获得混合溶液A；配制浓度为0.3～0.8mol/L的硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)水溶液，标记为溶液B；将溶液B缓慢滴加到溶液A中，持续搅拌6～18h后，对沉淀物进行离心，并于50～80℃下真空干燥12～24h，获得ZIF-67。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体为：将0.2～0.6g平均分子量为80000～150000的聚丙烯腈(PAN)和0.2～0.5g平均分子量为10000～40000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于25mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，之后称取0.1～0.4g ZIF-67超声分散于上述混合溶液中，持续搅拌12-24h后，60～80℃加热搅拌蒸发部分溶剂，制得粘稠状混合胶体。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)具体为：将步骤(2)中制得的胶体在惰性气氛保护下加热预碳化，其中惰性气氛为体积比为5：1的氮/氢混合气，温度为640～680℃，保温时间为2～4h，升温速率为1～2℃/min；之后再进行高温限域碳化并以硼酸铵(NH₄HB₄O₇·3H₂O)作为硼源进行硼掺杂得到金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)，其中惰性气氛为氮气，碳化温度为750～850℃，碳化时间为2～4h，升温速率为2～5℃/min。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)具体为：将步骤(3)得到的金属钴纳米颗粒/硼氮共掺杂碳复合材料(Co/BNC)与升华硫粉按质量比为1：10～20混合后，在氩气气氛保护下进行硫化处理，获得二硫化钴/硼氮硫共掺杂多孔碳复合材料(CoS₂/BNSC)，其中硫化温度为400～450℃，硫化时间为1～3h，升温速率为1～3℃/min。