[发明专利]碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂及其制备方法与应用，涉及催化剂技术领域。本发明所述的制备方法是先过渡金属盐、金属螯合剂溶于有机溶剂，得到金属前驱体溶液；再向金属前驱体溶液中加入聚丙烯腈、造孔剂和导电炭黑，反应得到纺丝液；最后将纺丝液进行静电纺丝、预氧化和碳化处理，得到所述碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂。本发明所述的碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂可用作锂硫电池的正极、中间层等电池材料，可缓解锂硫电池中多硫化物的穿梭，催化加快氧化还原反应动力学。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，尤其涉及一种碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

现今的智能化时代，人们更倾向于轻便、小巧、长续航能力的能源存储器件。锂硫电池应运而生，其正负极分别为硫、金属锂，经多步的电子得失，来完成电池的充放电行为。其优势具体体现在硫储量丰富、高理论比容量(1675mAh g^-1)和高能量密度(2600Wh kg^-1)等方面，被称为最具应用前景的储能器件。

然而，在充放电过程中，锂硫电池产生的中间产物-多硫化锂(LiPSs)，造生了严重“穿梭效应”，造成电池容量衰减，活性物质硫的利用率低，库仑效率降低等一系列限制锂硫电池实用化、产业化的问题。而且，穿梭到负极的LiPSs在锂箔上沉积，形成锂枝晶，进而刺破隔膜，造成了电池微短路。因此，如何更好地提高锂硫电池循环寿命和容量成为研究热点之一。

现有技术中，锂硫电池的研究包括正极、负极、隔膜和电解液等方面，针对隔膜修饰的方式有涂覆、抽滤等，即在隔膜上添加一层修饰层。而涂覆的方式因添加了额外的非活性物质，影响到锂硫电池的能量密度，抽滤也会在材料成膜的均匀度和控制过程性变量方面形成难题。而为了达到强的吸附能力和好的催化效果，隔膜修饰选用的材料一般有导电高聚物、过渡金属化合物、碳材料(石墨烯、碳纳米管、碳纸、多孔碳、碳纤维)等。其中，碳纳米纤维除了易加工制备，来源丰富之外，凭借其自身孔结构可调，化学稳定性高、比表面积大及柔性自支撑等特点，弥补了其他方法带来的工艺或电池性能方面的影响。

为了提高碳材料与多硫化物的相互作用，多采取杂原子掺杂和添加极性化合物的方法，其中，单原子催化剂因其高表面自由能和活性中心结构均匀等特有的优势，备受关注。对比单原子材料的其他载体(石墨烯、金属有机框架和Mxene等)，以碳纳米纤维负载金属单原子，会一定程度上解决其他载体时带来的过程繁琐，原料制备危险系数高、时间成本较高的问题。

专利CN 113328201A介绍了一种具有功能中间层的锂硫电池隔膜的制备方法，该专利采用涂层方式，即在隔膜上将目标材料、粘合剂和分散剂按比例混合成浆料，在隔膜上刮涂，烘干，切圆片待用。但是增加了粘合剂和分散剂等非活性物质，影响锂硫电池的能量密度，而且采用金属有机框架(MOF)，通过反应和离心等方式，制备前驱体，最终使单原子负载于碳纳米纤维上。但相较于直接通过金属盐与配体的络合、配位的方法制备负载单原子的碳纳米纤维中间层，该工艺制备流程繁琐，MOF产量低，周期长、有毒的有机溶剂用量大。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中隔膜修饰方式如涂覆、抽滤带来的过程性问题，以及载体对于负载单原子的不良影响。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂及其制备方法与应用。

本发明的第一个目的是提供一种碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤，

(1)将过渡金属盐、金属螯合剂溶于有机溶剂，得到金属前驱体溶液；所述过渡金属盐、金属螯合剂的摩尔比为1：4-4.5；

(2)向步骤(1)所述的金属前驱体溶液中加入聚丙烯腈、造孔剂和导电炭黑，加热、搅拌、超声，反应得到纺丝液；

(3)将步骤(2)所述的纺丝液进行静电纺丝、预氧化和碳化处理，得到所述碳纳米纤维负载的金属单原子催化剂。