一种反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的制备方法及其应用

1.本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的制备方法及其应用。

背景技术：

2.锂硫电池(li-s)因其较高的理论容量和能量密度被认为是目前商用锂离子电池的潜在替代品，同时硫的丰富储量，无毒等优势使得锂硫电池在未来大规模的商业化应用中具有可行性。但是，锂硫电池的实际应用仍然受到诸多的挑战，包括硫正极产生的多硫化锂带来的穿梭效应会导致缓慢的反应动力学和不可避免的硫损失。同时，负极侧在循环过程中不可控的锂枝晶生长会渗透过隔膜，导致电池短路，以及起火等安全隐患的产生。因此，探索具有优异电化学性能的硫和\或锂载体以克服正极侧多硫化锂的穿梭问题以及负极侧的锂(li)枝晶问题具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

技术实现要素：

3.本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的制备方法。
4.本发明的另一目的在于提供上述反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的应用。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)将cocl2·
6h2o、fecl3·
6h2o和油酸钠以4-6∶4-6∶29-31的摩尔比溶解于由乙醇、超纯水和正己烷组成的混合溶剂中，于68-72℃回流反应3-5h，得到分层的物料，将上层棕黑的物料用超纯水洗涤后，获得co-fe-油酸盐溶液；
8.(2)将上述co-fe-油酸盐溶液、硒粉、二氧化硅微球和油胺混合均匀，然后在氩氢气气氛下，于640-655℃煅烧2.5-3.5h；
9.(3)将步骤(2)所得的物料分散于naoh溶液中，于75-80℃下搅拌10-13h以去除模板，然后经离心洗涤，获得所述反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料。
10.在本发明的一个优选实施方案中，所述混合溶剂由乙醇、超纯水和正己烷以4∶4∶7的体积比组成。
11.进一步优选的，所述cocl2·
6h2o、fecl3·
6h2o、油酸和混合溶剂比例为5mmol∶5mmol∶30mmol∶75ml。
12.更进一步优选的，所述步骤(2)中，所述co-fe-油酸盐溶液、硒粉、二氧化硅微球和油胺的比例为0.8-1.2g∶0.4-0.6g∶0.4-0.6g∶0.8-1.2ml。
13.再进一步优选的，所述步骤(2)中，所述co-fe-油酸盐溶液、硒粉、二氧化硅微球和
油胺的比例为1g∶0.5g∶0.5g∶1ml。
14.在本发明的一个优选实施方案中，所述naoh溶液的浓度为2mol/l。
15.上述制备方法制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料作为锂硫电池中硫和\或锂的载体的应用。
16.一种锂硫电池，其具有上述制备方法制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料。
17.本发明的有益效果是：
18.1、本发明制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料具有优异的亲硫/亲锂性，不仅可以有效捕获多硫化物，并且提高转化动力学，而且可以调节金属li的成核/沉积行为，以稳定锂金属极。
19.2、本发明制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料中较大的内部空间和界面可以保证充分的硫负载和氧化还原反应活性位点的暴露，同时缓解硫和li循环时的体积变化。
20.3、本发明制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料中有序互连的导电骨架可以保证电场分布的均匀和li
+
离子流的均匀，为电子和离子提供平滑的传输路径，提高氧化还原动力学。
附图说明
21.图1为本发明实施例1制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的扫描电镜图。
22.图2为本发明实施例1制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的透射电镜图。
23.图3为本发明实施例1制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的高倍透射电镜图。
24.图4为本发明实施例1制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料作为硫正极载体的半电池性能图。
25.图5为本发明实施例1制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料作为锂负极极载体的对称电池性能图。
26.图6为本发明实施例1制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料作为双功能载体的锂硫全电池性能图。
27.图7为本发明对比例1制得的对比材料1的透射电镜图。
28.图8为本发明对比例3制得的对比材料3的透射电镜图。
具体实施方式
29.以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
30.实施例1
31.(1)将的摩尔比为1∶1(5mmol)的cocl2·
6h2o和fecl3·
6h2o和9.125g(30mmol)的油酸钠依次溶解在由20ml乙醇、20ml超纯水和35ml正己烷组成的混合溶液中，在70℃下回流4h，得到分层溶液。用分液漏斗滤出底部的溶液，并用超纯水洗涤数次，得到上层棕黑
的co-fe-油酸盐溶液。
32.(2)在研钵中，将1g的co-fe-油酸盐溶液，0.5g的硒粉，0.5g的二氧化硅球(粒径约为250μm)和1ml的油胺充分混合均匀。将得到的黑浆料置于管式炉中，在650℃下，氩氢气(5％h2和95％o2)气氛中煅烧3h，获得黑粉末。
33.(3)将上述黑粉末在2mol/l的naoh溶液中，80℃下搅拌12h去除模板，离心洗涤得到如图1至3所示的最终产物多孔碳内嵌双金属硒化物(fe2cose4)量子点。
34.如图4所示，上述最终产物作为硫载体，在1c(1c＝1675ma)的电流密度下，经过500圈的循环还有794mah/g的高比容量。
35.如图5所示，上述最终产物作为锂金属载体，所组装成的锂对称电池在5ma/cm2的电流密度下，循环容量为5mah/cm2时，可以稳定循环500h。
36.如图6所示，上述最终产物同时作为锂和硫的双功能载体，组装成的全电池在2c下，经过800圈循环还有715mah/g的高比容量。
37.对比例1
38.与实施例1的区别在于改变了cocl2·
6h2o和fecl3·
6h2o比例为1∶2，得到多相(fe2cose4，cose2)硒化物量子点的对比材料1，如图7所示，该对比材料1同样为多孔的反蛋白石结构多孔碳，碳骨架上可见点状的量子点。
39.上述对比材料1作为硫载体，在1c(1c＝1675ma)的电流密度下，经过500圈的循环还有745mah/g的高比容量。
40.上述对比材料1作为锂金属载体，所组装成的锂对称电池在1ma/cm2的电流密度下，循环容量为1mah/cm2时，可以稳定循环1000h。
41.上述对比材料1同时作为锂和硫的双功能载体，组装成的全电池在2c下，经过500圈循环还有480mah/g的高比容量。
42.对比例2
43.与实施例1的区别在于改变cocl2·
6h2o和fecl3·
6h2o的比例为0∶1，得到单金属(fese)硒化物量子点的对比材料2。
44.上述对比材料2作为硫载体，在1c(1c＝1675ma)的电流密度下，经过500圈的循环还有705mah/g的高比容量。
45.上述对比材料2作为锂金属载体，所组装成的锂对称电池在1ma/cm2的电流密度下，循环容量为1mah/cm2时，可以稳定循环800h。
46.上述对比材料2同时作为锂和硫的双功能载体，组装成的全电池在2c下，经过500圈循环还有500mah/g的比容量。
47.对比例3
48.与实施例1的区别在于剔除了二氧化硅球的使用，得到块状的双金属硒化物量子点的对比材料3，如图8所示，该对比材料3呈现出块状的碳材料，透射电镜图片下看到点状的量子点。
49.上述对比材料3作为硫载体，在1c(1c＝1675ma)的电流密度下，经过500圈的循环还有715mah/g的高比容量。
50.上述对比材料3作为锂金属载体，所组装成的锂对称电池在1ma/cm2的电流密度下，循环容量为1mah/cm2时，可以稳定循环695h。
51.上述对比材料3同时作为锂和硫的双功能载体，组装成的全电池在2c下，经过500圈循环还有390mah/g的比容量。
52.对比例4
53.与实施例1的区别在改变了硒粉的用量为1g，得到多孔碳框架镶嵌cose2和fese两相复合的量子点对比样4。
54.上述对比材料4作为硫载体，在1c(1c＝1675ma)的电流密度下，经过500圈的循环还有741mah/g的高比容量。
55.上述对比材料4作为锂金属载体，所组装成的锂对称电池在1ma/cm2的电流密度下，循环容量为1mah/cm2时，可以稳定循环705h。
56.上述对比材料4同时作为锂和硫的双功能载体，组装成的全电池在2c下，经过500圈循环还有550mah/g的比容量。
57.对比例5
58.与实施例1的区别在于将步骤(2)中的煅烧温度变为750℃，得到多孔碳框架镶嵌co9se8和fese两相复合的量子点对比材料5
59.上述对比材料5作为硫载体，在1c(1c＝1675ma)的电流密度下，经过500圈的循环还有738mah/g的高比容量。
60.上述对比材料5作为锂金属载体，所组装成的锂对称电池在1ma/cm2的电流密度下，循环容量为1mah/cm2时，可以稳定循环780h。
61.上述对比材料5同时作为锂和硫的双功能载体，组装成的全电池在2c下，经过500圈循环还有586mah/g的比容量。
62.对比例6
63.与实施例1的区别在于将步骤(2)中的煅烧温度变为550℃，得到多孔碳框架镶嵌fe2cose4和fese两相复合的量子点对比材料6.
64.上述对比材料6作为硫载体，在1c(1c＝1675ma)的电流密度下，经过500圈的循环还有784mah/g的高比容量。
65.上述对比材料6作为锂金属载体，所组装成的锂对称电池在1ma/cm2的电流密度下，循环容量为1mah/cm2时，可以稳定循环815h。
66.上述对比材料6同时作为锂和硫的双功能载体，组装成的全电池在2c下，经过500圈循环还有590mah/g的比容量。
67.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

技术特征：

1.一种反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)将cocl2·
6h2o、fecl3·
6h2o和油酸钠以4-6∶4-6∶29-31的摩尔比溶解于由乙醇、超纯水和正己烷组成的混合溶剂中，于68-72℃回流反应3-5h，得到分层的物料，将上层棕黑的物料用超纯水洗涤后，获得co-fe-油酸盐溶液；(2)将上述co-fe-油酸盐溶液、硒粉、二氧化硅微球和油胺混合均匀，然后在氩氢气气氛下，于640-655℃煅烧2.5-3.5h；(3)将步骤(2)所得的物料分散于naoh溶液中，于75-80℃下搅拌10-13h以去除模板，然后经离心洗涤，获得所述反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混合溶剂由乙醇、超纯水和正己烷以4∶4∶7的体积比组成。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述cocl2·
6h2o、fecl3·
6h2o、油酸和混合溶剂比例为5mmol∶5mmol∶30mmol∶75ml。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述co-fe-油酸盐溶液、硒粉、二氧化硅微球和油胺的比例为0.8-1.2g∶0.4-0.6g∶0.4-0.6g∶0.8-1.2ml。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述co-fe-油酸盐溶液、硒粉、二氧化硅微球和油胺的比例为1g∶0.5g∶0.5g∶1ml。6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的制备方法，其特征在于：所述naoh溶液的浓度为2mol/l。7.权利要求1至6中任一权利要求所述的制备方法制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料作为锂硫电池中硫和\或锂的载体的应用。8.一种锂硫电池，其特征在于：其具有权利要求1至6中任一权利要求所述的制备方法制得的反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料。

技术总结

本发明公开了一种反蛋白石结构多孔碳内嵌双金属硒化物量子点材料的制备方法及其应用，包括如下步骤：(1)将CoCl2·

技术研发人员：

彭栋梁 黄友章 谢清水 王来森 罗晴

受保护的技术使用者：

厦门大学

技术研发日：

2022.09.28

技术公布日：

2022/12/16