用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂及制备方法

技术领域

本发明属于电池催化剂材料领域，具体涉及一种用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂及制备方法。

背景技术

锂硫电池由于1675mAh g

目前，各种电催化剂被广泛应用于锂硫电池中。单原子材料因其明确的电子结构、最大的原子利用率和出色的催化性能而在多相催化领域受到广泛关注。受电催化反应中高效单原子催化剂(SAC)最新实验和理论进展的启发，金属氮化碳(M-N-C)已被开发为一种有前途的SAC候选材料，具有高金属原子利用率、优异的选择性和丰富的活性位点。M-N-C结构及其氮配位单金属活性位点M-N

相比于过渡金属，稀土金属(RMs)含有独特的松散的4f和未填充的5d轨道，这使它们具有很强的配位能力，从而很容易形成稳定的饱和配位结构，有利于催化过程。此外，稀土金属具有部分填充的轨道，所以具有更高的电催化活性。

相关技术中，通过化学溶液法结合高温煅烧，制备稀土金属位点与氮配位并嵌入碳壳内，因其具有最大的原子利用率和致密的活性密度的优势而成为最有前途的锂电池催化剂。而由于稀土金属相比于过渡金属具有更为优异的性能，如何制备稀土金属单原子位点与氮配位并嵌入多孔碳的锂硫电池催化剂材料从而进一步提升催化剂材料性能值得进行探究。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂及制备方法。

本发明提供了一种用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂的制备方法，用于制备稀土金属单原子位点与氮配位并嵌入多孔碳的锂硫电池催化剂材料，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤S1，将2-甲基咪唑、DMF和甲醇混合进行搅拌，搅拌过程中加入Zn(NO

在本发明提供的用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S1中，沉淀物进行洗涤时，使用乙醇洗涤三次，进行干燥时，在60℃下真空干燥12h。

在本发明提供的用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S2中，ZnRM-MOF置于管式炉中加热时，以900℃～1000℃在Ar流中加热3h，升温速率为2℃/min～3℃/min。

在本发明提供的用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S2中，进行真空干燥时，在60℃下真空干燥12h。

本发明还提供了一种稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂，具有这样的特征，由上述用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂的制备方法制备得到。

本发明还提供了一种稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂在锂硫电池中的应用。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂及制备方法，通过化学溶液法结合高温煅烧法制备得到稀土金属单原子与氮配位的位点并嵌入多孔碳内的锂硫电池催化剂材料RM SAs/NC。该锂硫电池催化剂材料具有正十二面体的形貌，并且具有的RM-N

附图说明

图1是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的合成过程；

图2是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的AC-TEM图像；

图3是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的XRD图像；

图4是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的Lu 4d的XPS谱；

图5是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的Lu L边XANES光谱；

图6是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的Lu L边的傅里叶变换；

图7是本发明的实施例中使用不同催化剂材料的锂硫电池的循环伏安曲线；

图8是图7中的第一个还原峰对应的Tafel图；

图9是图7中的第二个还原峰对应的Tafel图；

图10是本发明的实施例中使用不同催化剂材料作为电极材料的倍率性能；

图11是本发明的实施例中使用不同催化剂材料作为电极材料的循环性能。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂及制备方法。作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的合成过程。

如图1所示，本实施例的用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂的制备方法，用于制备稀土金属单原子位点与氮配位并嵌入多孔碳的锂硫电池催化剂材料，包括以下步骤：

步骤S1，将2-甲基咪唑(28～30mmol)、DMF(15～17mL)和甲醇(5～6mL)混合进行搅拌，搅拌过程中加入Zn(NO

步骤S2，将ZnLu-MOF置于管式炉中，以2℃/min～3℃/min的升温速率升温至950℃，在Ar流中加热3h得到热解产物，再经过真空干燥后，得到稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂Lu SAs/NC。

本实施例中，制备得到的锂硫电池催化剂材料Lu SAs/NC具有正十二面体的形貌。

图2是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的AC-TEM图像。

如图2所示，本实施例制备的锂硫电池催化剂材料Lu SAs/NC中在NC表面生成了很多Lu的单原子。

图3是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的XRD图像。

如图3所示，XRD图像表明锂硫电池催化剂材料Lu SAs/NC只检测到石墨碳的特征衍射模式，说明稀土金属Lu是以单原子的形式与N进行配位，不是形成了纳米颗粒。而催化剂材料Lu NPs/NC并未仅检测到石墨碳的特征衍射模式，说明LuNPs/NC中稀土金属Lu是以纳米颗粒的形式负载在NC上。

图4是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的Lu 4d的XPS谱。

如图4所示，XPS图像在207.58eV和197.88eV处有两个峰，分别归属于Lu 4d

图5是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的Lu L边XANES光谱。

如图5所示，XANES光谱表明Lu的L边X射线吸收近边结构，证实本实施例制备的催化剂材料Lu SAs/NC中的Lu价态低于Lu

图6是本发明的实施例中锂硫电池催化剂材料的Lu L边的傅里叶变换。

如图6所示，Lu L边的傅里叶变换表明本实施例制备的催化剂材料Lu SAs/NC的两个峰值位于

本实施例中，还将步骤S1中使用的Lu(NO

首先在扫描速率为0.1mV s

图7是本发明的实施例中使用不同催化剂材料的锂硫电池的循环伏安曲线。

如图7所示，与LuNPs/NC和NC对比，本实施例的催化剂材料Lu SAs/NC的两个还原峰具有更高的峰值电流密度，表明增强了氧化还原动力学。

图8是图7中的第一个还原峰对应的Tafel图；图9是图7中的第二个还原峰对应的Tafel图。

如图8和图9所示，第一个还原峰对应着Li

本实施例中，还将步骤S1中使用的Lu(NO

图10是本发明的实施例中使用不同催化剂材料作为电极材料的倍率性能。图10中(a)为Lu SAs/NC、LuNPs/NC以及NC三种不同的催化剂材料作为电极材料的倍率性能对比；(b)为Lu SAs/NC、Ho SAs/NC、Er SAs/NC、La SAs/NC、Y SAs/NC作为电极材料的倍率性能对比。

如图10所示，本实施例的催化剂材料Lu SAs/NC作为电极组装成的锂硫电池具有最好的倍率性能，在2C电流密度下具有649.1mAh g

图11是本发明的实施例中使用不同催化剂材料作为电极材料的循环性能。图11中(a)为Lu SAs/NC、LuNPs/NC以及NC三种不同的催化剂材料作为电极材料的循环性能对比；(b)为Lu SAs/NC、Ho SAs/NC、Er SAs/NC、La SAs/NC、Y SAs/NC作为电极材料的循环性能对比。

如图11所示，本实施例的催化剂材料Lu SAs/NC作为电极组装成的锂硫电池具有最好的循环性能，循环1000次，每个周期衰减率为0.049％。

因此，本实施例制备的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂Lu SAs/NC可用于制备锂硫电池的正极进行应用，能够有效提高锂硫电池的倍率性能，并且具有良好的循环稳定性。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的用于锂硫电池的稀土单原子修饰氮掺杂的多孔碳催化剂及制备方法，通过化学溶液法结合高温煅烧法制备得到稀土金属单原子与氮配位的位点并嵌入多孔碳内的锂硫电池催化剂材料RM SAs/NC。该锂硫电池催化剂材料具有正十二面体的形貌，并且具有的RM-N

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。