[发明专利]一种ZnO-ZnS@氮掺杂多孔碳复合材料的制备及其产品和应用

说明书

本发明公开了一种ZnO‑ZnS@氮掺杂多孔碳复合材料的制备及其产品和应用，以多孔碳为基底，在碳基材上原位生长出ZnO‑ZnS异质结构。硫化锌纳米颗粒锚定在氧化锌纳米片上，形成了具有异质结构的复合材料。通过硫化法在ZnO表面原位硫化出ZnS纳米颗粒，从而触发了接触界面的电子重排和局部电子构型，异质结面的大量形成加速了附件电子的快速转移。同时ZnS对LiPSs具有较好的催化能力，也综合增强了对多硫化物的吸附作用。本发明制备流程短且操作简单，为一种优异的固硫材料。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种ZnO-ZnS@氮掺杂多孔碳复合材料的制备及其产品和应用。

背景技术

随着新能源技术的快速发展，越来越多的电子通讯设备和新能源汽车应用到人们的生活之中，因此，发展具有高能量密度的二次电池显得更加重要。锂硫电池因其具有高理论比容量(1675mAh/g)，硫本身的安全性及价格低廉等优势，有望成为下一代优异的二次电池之一。然而锂硫电池(LSBs)的商业化进程却面临很多问题，其中S及Li₂S的电导率低以及多硫化物(LiPSs)穿梭效应为主要问题。

碳材料因具有高导电性和形貌多样性成为一种被广泛应用的固硫载体。然而，单纯的碳材料因较弱的吸附不足以减弱LiPSs的穿梭。因此，具有较强极性的金属化合物被广泛研究。金属化合物可以在有效地吸附多硫化物的同时加快多硫化物的转化，故合理设计多功能固硫载体显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于针对锂硫电池的相关问题，设计了一种ZnO-ZnS@氮掺杂多孔碳复合材料的制备及其产品和应用，通过简单的化学沉积法，将ZnO-ZnS异质结构原位生长在多孔碳基材里，该制备方法简单，高效。所制备的复合材料为独特的三维结构，具有较多的吸附和催化位点，是一种优异的固硫材料。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种ZnO-ZnS@氮掺杂多孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将三聚氰胺与柠檬酸钠球磨后，在氩气气氛下700-900℃退火2h，得到的产物放入盐酸中进行搅拌，抽滤并洗至中性，烘干，得到氮掺杂多孔碳；

(2)将氮掺杂多孔碳研磨成粉末后置于去离子水中超声处理，然后加入Zn(NO₃)6H₂O、柠檬酸钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，再加入氢氧化钠，搅拌，静置，抽滤，冷冻干燥，得到ZnO@NPC复合材料；

(3)在ZnO@NPC复合材料中加入Na₂S溶液，室温下搅拌，抽滤，冷冻干燥，得到ZnO/ZnS@多孔碳复合材料。

进一步地，所述Na₂S与氮掺杂多孔碳的加入量之比为1-4∶5。

进一步地，步骤(1)中，所述三聚氰胺与柠檬酸钠的质量比为(0.5-1)∶(5-10)。优选为1∶10。

进一步地，步骤(2)中，所述氮掺杂多孔碳、Zn(NO₃)6H₂O、柠檬酸钠和聚乙烯吡咯烷酮之间的质量比为(0.1-0.5)∶(1-2)∶(1.5-2.5)∶(1.5-2)。优选为0.5∶1∶2∶2。

进一步地，步骤(3)中，所述Na₂S溶液是将0.1-0.5g的Na₂S溶于30mL的去离子水中。优选为0.2g、0.1g、0.4g，更优选为0.2g。

本发明还提供一种所述的ZnO-ZnS@氮掺杂多孔碳复合材料的制备方法制备得到的ZnO-ZnS@氮掺杂多孔碳复合材料，以氮掺杂多孔碳为基底，氧化锌纳米颗粒锚定在硫化锌纳米片上，形成花状ZnO-ZnS异质结构。