本發(fā)明涉及納米復(fù)合材料及其應(yīng)用，具體涉及一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著對(duì)便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)需求的不斷增長，需要更多樣化的儲(chǔ)能系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的鋰離子電池。鋰硫電池被認(rèn)為是最有前途的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)之一，然而，其進(jìn)一步的商業(yè)化應(yīng)用仍面臨許多問題，如硫利用率低、容量衰減快和倍率性能差等。廣泛研究表明，其中最主要的問題是臭名昭著的“穿梭效應(yīng)”。

2、為了抑制穿梭效應(yīng)，mxene作為一種新型二維過渡金屬碳化物/碳氮化物材料，因其良好的導(dǎo)電性、二維結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，特別是能夠通過ti-s鍵與多硫化物產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，而被作為催化劑引入鋰硫電池以加速硫物種的吸附-催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)。然而，單純的mxene材料由于比表面積大以及大量氫鍵的作用，具有強(qiáng)烈的自堆積趨勢，往往缺乏足夠的活性位點(diǎn)。因此，有必要對(duì)mxene表面進(jìn)行可控操作，以最大限度地提高鋰硫電池的活性和效率。據(jù)報(bào)道，mxene衍生異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅具有防止納米片堆疊的特性，還能協(xié)同利用不同材料的優(yōu)勢，更好地降低反應(yīng)能壘，從而加速氧化還原動(dòng)力學(xué)。然而，mxene衍生異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備通常涉及高溫反應(yīng)，這很容易導(dǎo)致mxene氧化，從而降低導(dǎo)電性，大大阻礙了其應(yīng)用。因此，如何在不犧牲mxene原有特性的前提下進(jìn)一步增強(qiáng)其催化多硫化物轉(zhuǎn)化的活性仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。針對(duì)以上問題，本發(fā)明提供了一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用，將制得的zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鋰硫電池的隔膜修飾中，可以加速硫氧化還原反應(yīng)，提高硫利用率和緩減穿梭效應(yīng)，提高鋰硫電池的長循環(huán)穩(wěn)定性以及使用壽命。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

3、(1)取lif加入hcl溶液中混合均勻，加入ti3alc2?max后水浴加熱攪拌反應(yīng)，然后離心去除沉淀后得到mxene溶液；

4、(2)取mxene溶液加入到硝酸鋅水溶液中攪拌使mxene納米片表面均勻吸附鋅離子，然后依次加入濃硝酸、硫代乙酰胺和去離子水，在低溫水浴下回流加熱反應(yīng)，使硫化鋅納米球在mxene納米片表面原位形核生長，反應(yīng)完成后冷卻、離心洗滌后再真空干燥得到zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

5、優(yōu)選的，所述步驟(1)中，lif的用量為0.8～1.6g；hcl溶液的用量為10～20ml，濃度為9m；ti3alc2?max的用量為0.5～1g。

6、優(yōu)選的，所述步驟(1)中，水浴加熱反應(yīng)溫度為32℃，反應(yīng)時(shí)間為48h。

7、優(yōu)選的，所述步驟(1)中，所得的mxene溶液濃度為10mg/ml。

8、優(yōu)選的，所述步驟(2)中，mxene溶液的用量為7.5～15ml；硝酸鋅水溶液的用量為10～20ml，濃度為30mg/ml。

9、優(yōu)選的，所述步驟(2)中，濃硝酸的用量為25～50μl，濃度為16m；硫代乙酰胺的用量為0.9～1.8g；去離子水的用量為12.5～25ml。

10、優(yōu)選的，所述步驟(2)中，低溫水浴的溫度為60～70℃，回流加熱的時(shí)間為3～4h。

11、優(yōu)選的，所述步驟(2)中，洗滌所用溶液為去離子水和異丙醇，真空干燥溫度為50℃。

12、本發(fā)明還提供了上述制備方法制得的zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

13、本發(fā)明還提供了上述制得的zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)在鋰硫電池隔膜修飾中的應(yīng)用。

14、因此，本發(fā)明提供了一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用，具體有益效果如下：

15、(1)本發(fā)明采用低溫原位法制備zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以防止mxene氧化和自堆疊，從而在保留其高導(dǎo)電特性的同時(shí)暴露更多活性位點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)多硫化物的高效催化轉(zhuǎn)化，操作過程簡單易得，具有良好的應(yīng)用前景；

16、(2)本發(fā)明所制備的zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其界面處的內(nèi)置電場可以增強(qiáng)吸附-催化活性并促進(jìn)電子/li+遷移，進(jìn)一步改善硫的氧化還原動(dòng)力學(xué)；

17、(3)本發(fā)明所得的zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)隔膜修飾材料應(yīng)用于鋰硫電池，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，可有效抑制穿梭效應(yīng)。

18、下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中，lif的用量為0.8～1.6g；hcl溶液的用量為10～20ml，濃度為9m；ti3alc2?max的用量為0.5～1g。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中，水浴加熱反應(yīng)溫度為32℃，反應(yīng)時(shí)間為48h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中，所得的mxene溶液濃度為10mg/ml。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中，mxene溶液的用量為7.5～15ml；硝酸鋅水溶液的用量為10～20ml，濃度為30mg/ml。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中，濃硝酸的用量為25～50μl，濃度為16m；硫代乙酰胺的用量為0.9～1.8g；去離子水的用量為12.5～25ml。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中，低溫水浴的溫度為60～70℃，回流加熱的時(shí)間為3～4h。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中，洗滌所用溶液為去離子水和異丙醇，真空干燥溫度為50℃。

9.一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)是采用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)制備方法制得的。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述zns-mxene異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于鋰硫電池的隔膜修飾中。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種ZnS?MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用，屬于納米復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。通過溫和的水浴加熱在MXene納米片表面原位生長ZnS納米球，得到ZnS?MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明制備的ZnS?MXene保留了MXene的高導(dǎo)電特性，并有效抑制了MXene納米片的自堆疊，暴露了更多吸附?催化多硫化物轉(zhuǎn)化的活性位點(diǎn)；同時(shí)，異質(zhì)界面的內(nèi)置電場可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電子/Li<supgt;+</supgt;遷移。將其應(yīng)用于電池隔膜修飾可有效加速硫氧化還原反應(yīng)，提高硫利用率和緩減穿梭效應(yīng)。

技術(shù)研發(fā)人員：楊進(jìn)爭,劉儒炎,金占雙,王亞麗,韓冰,李俊杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河北北方學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17