【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池材料领域，具体涉及一种孤岛状ms2@tio2异质结及其制备方法与应用。
技术介绍
1、由于储量丰富、环境友好、理论比容量大（1675 mah g-1）、能量密度高达2500 whkg-1，锂硫电池被认为是一种前景广阔的储能设备。尽管具有这些优势，但是，由于多硫化锂（lipss）的溶解和穿梭效应造成的低循环耐久性，大大限制了其实际应用。因此，抑制多硫化物的穿梭效应，提高锂硫电池性能是目前的研究热点。
2、针对多硫化物的穿梭效应，目前比较常用的方法有设计硫宿主材料，其中包括化学吸附策略（使用极性材料，如过渡金属化合物、共价有机框架、金属有机框架和mxenes）和物理限制方法（使用具有各种创新结构的纳米碳材料）。然而，有限的吸附位点和硫储存空间会导致宿主材料的结构崩塌。另一种抑制lipss溶解/穿梭的有效策略是在阴极和阳极之间建立穿梭屏障，即进行隔膜修饰。常用来修饰隔膜的材料有：碳材料和过渡金属化合物（氧化物、硫化物、磷化物、氮化物等），非极性碳材料的物理限制在吸附大量多硫化物方面非常有限。相比之下，过渡金属氧化物如tio2等极性材料对lipss的吸附能力更强。而一些电催化材料（如fes2、cos2、ni2p和zns）虽然可以加速可溶性lipss向li2s的转化，但通常导电性较差。单一功能材料要同时满足多种要求，包括高导电性、强大的吸附能力和对lipss优异的电催化性，是一项挑战。
3、由于异质结具有不同的界面、坚固的结构和协同效应，因此通常具有更高的导电性，且异质结构发生的电荷再分布将诱导产
技术实现思路
1、本专利技术克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种成本低、工艺简单、实现多硫化物快速吸附及催化转化的孤岛状ms2@tio2异质结。从异质结的构筑角度出发，基于增强内建电场强度和提高循环稳定性的需求，选用具有较宽能带结构、对多硫化物有吸附作用的tio2与具有催化作用的金属硫化物ms2（m=fe、co、ni、cu）构建异质结，诱导形成内建电场，并实现多硫化物吸附锚定同时催化转化的连续过程，进而提高锂硫电池的循环稳定性。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种孤岛状ms2@tio2异质结的制备方法，包括以下步骤：
3、（1）制备前驱体na2ti2o5：将钛粉分散在naoh溶液中，充分混合后倒入反应釜中于进行水热反应；过滤，洗涤，干燥后得到前驱体na2ti2o5；
4、（2）离子交换反应：在金属m的盐溶液中加入干燥的na2ti2o5前驱体，磁力搅拌后静置2~6 h，使离子交换反应充分进行；然后过滤，洗涤，干燥；所述金属m为fe、co、ni和cu中的至少一种；
5、（3）硫化反应：将离子交换后的干燥样品和硫磺粉置于管式炉中进行硫化煅烧处理，降温后得到孤岛状ms2@tio2异质结。
6、作为本专利技术技术方案的进一步限定，步骤（1）中水热反应的温度为160~200 ℃，24~60 h。
7、作为本专利技术技术方案的进一步限定，步骤（1）中所述的钛粉与naoh溶液的摩尔比为1:10 ~ 1:20。
8、作为本专利技术技术方案的进一步限定，步骤（2）中金属m盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、氯化铁、氯化钴、氯化镍和氯化铜中的至少一种；金属m盐与na2ti2o5前驱体的摩尔比为5~10:1；金属m的盐溶液的浓度为0.25 mol l-1。
9、作为本专利技术技术方案的进一步限定，步骤（3）中干燥样品与硫磺粉的质量比为1：3~6。
10、作为本专利技术技术方案的进一步限定，步骤（3）管式炉中的煅烧参数为：惰性气氛下升温至400~600 ℃后保持2~4 h，然后自然冷却至室温。
11、首先通过简单的水热、离子交换和硫化反应制备了一种由 ms2（m=fe、co、ni、cu）纳米颗粒和tio2纳米带组成的孤岛状ms2@tio2（m=fe、co、ni、cu）异质结，以捕获和催化多硫化物，其中ms2纳米颗粒均匀地锚定在tio2纳米带表面。在ms2@tio2（m=fe、co、ni、cu）异质结中，tio2作为吸附位点可有效抑制多硫化锂的穿梭，而ms2则作为电催化位点可提高多硫化物的转化动力学。
12、本专利技术还提供上述的制备方法得到的孤岛状ms2@tio2异质结。
13、另外，本专利技术还提供上述制备方法得到的孤岛状ms2@tio2异质结在改性锂硫电池隔膜和提升电池电化学性能中的应用。
14、作为本专利技术技术方案的进一步限定，采用孤岛状ms2@tio2异质结改性锂硫电池隔膜的方法为：按照6～8：3～1：1的质量比分别称取ms2@tio2活性材料、导电剂和粘结剂，研磨后加入溶剂中制得浆料，涂覆于隔膜表面，真空干燥后得ms2@tio2改性隔膜。
15、作为本专利技术技术方案的进一步限定，所述导电剂为导电炭黑、乙炔黑、科琴黑和石墨烯中的至少一种；所述粘结剂为聚偏氟乙烯；溶剂为n-甲基吡咯烷酮。
16、由于 ms2 和 tio2 的能带隙不同，这两种成分的异质界面会产生内置电场，从而加速多硫化物的转化（尤其是将 li2s2 还原为 li2s）。此外，采用ms2@tio2（m=fe、co、ni、cu）异质结修饰隔膜的li-s电池表现出优异的电化学性能，包括在 0.1 c具有 2318 mah g-1 的高初始放电容量，以及在 1 c时0.046% 的容量衰减率和出色的长期循环稳定性。
17、与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：
18、本专利技术利用廉价易得的原材料，通过简单的水热反应、离子交换和硫化反应，制备出同时具有优异的吸附特性，高效的催化转化特性，以及出色的电化学性能的孤岛状ms2@tio2（m=fe、co、ni、cu）异质结，提供了一种制备同时具有出色吸附特性和快速催化转化特性的锂硫电池隔膜修饰材料的新方法。
19、本专利技术制备的孤岛状ms2@tio2（m=fe、co、ni、cu）异质结不仅具有快速吸附多硫化锂的能力，并且涂覆在商业pp隔膜上仅8 μm的厚度，便可明显抑制多硫化物的渗透，8小时后仅微微变色。当用改性隔膜组装电池后可以实现极高的初始容量，良好的倍率性能和循环稳定性。
20、本专利技术制备的孤岛状ms2@tio2（m=fe、co、ni、cu）异质结的成本低、步骤简单、可实现工业化生产。这种孤岛状异质结构筑工程可以减少穿梭效应并促进多硫化物的催化转化，为提高锂硫电池的电化学性能提供了重要启示。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种孤岛状MS2@TiO2异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种孤岛状MS2@TiO2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（1）中水热反应的温度为160~200 ℃，24~60 h。
3.根据权利要求1所述的一种孤岛状MS2@TiO2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的钛粉与NaOH溶液的摩尔比为1:10 ~ 1:20。
4. 根据权利要求1所述的一种孤岛状MS2@TiO2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（2）中金属M盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、氯化铁、氯化钴、氯化镍和氯化铜中的至少一种；金属M盐与Na2Ti2O5前驱体的摩尔比为5~10:1；金属M的盐溶液的浓度为0.25 molL-1。
5.根据权利要求1所述的一种孤岛状MS2@TiO2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（3）中干燥样品与硫磺粉的质量比为1：3~6。
6. 根据权利要求1所述的一种孤岛状MS2@TiO2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（3）管式炉中的煅烧参数为：惰性气氛下升温至400~600
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的制备方法得到的孤岛状MS2@TiO2异质结。
8.根据权利要求7所述的一种孤岛状MS2@TiO2异质结在改性锂硫电池隔膜和提升电池电化学性能中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，采用孤岛状MS2@TiO2异质结改性锂硫电池隔膜的方法为：按照6～8：3～1：1的质量比分别称取MS2@TiO2活性材料、导电剂和粘结剂，研磨后加入溶剂中制得浆料，涂覆于隔膜表面，真空干燥后得MS2@TiO2改性隔膜。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述导电剂为导电炭黑、乙炔黑、科琴黑和石墨烯中的至少一种；所述粘结剂为聚偏氟乙烯；溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
...【技术特征摘要】
1.一种孤岛状ms2@tio2异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种孤岛状ms2@tio2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（1）中水热反应的温度为160~200 ℃，24~60 h。
3.根据权利要求1所述的一种孤岛状ms2@tio2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的钛粉与naoh溶液的摩尔比为1:10 ~ 1:20。
4. 根据权利要求1所述的一种孤岛状ms2@tio2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（2）中金属m盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、氯化铁、氯化钴、氯化镍和氯化铜中的至少一种；金属m盐与na2ti2o5前驱体的摩尔比为5~10:1；金属m的盐溶液的浓度为0.25 moll-1。
5.根据权利要求1所述的一种孤岛状ms2@tio2异质结的制备方法，其特征在于，步骤（3）中干燥样品与硫磺粉的质量比为1：3~6。
...【专利技术属性】
技术研发人员：岳鲁超，宋静，宋玮，王智，张立栋，陈俸君，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。