一种多孔硫醚键功能化碳材料及制备方法和应用与流程

本发明属于电化学储能，更具体地，涉及一种多孔硫醚键功能化碳材料及制备方法和应用。

背景技术：

1、钠硫(na-s)电池作为先进可充电电池的候选者，由于其取之不尽、成本低廉的原料，在广泛的电网规模存储技术中具有潜在的应用前景。然而，由于传统的高温na-s电池工作温度为300-350℃，而且两种活性电极材料都是液态的，因此在大规模应用时存在严重的安全问题和一系列成本问题。降低na-s电池的工作温度有利于改善安全问题和减少开支。因此，研究人员不遗余力地开发室温(rt)na-s电池，用于电化学储能技术。

2、已经有研究提出了许多含有键合硫的硫掺杂碳作为具有增强储钠性能的电极材料，这可归因于硫掺杂物扩大了碳的层间距离，从而提高了储钠比容量。此外，据报道，碳和硫之间的共价键在电化学条件下太强而不易断裂。大多数研究都忽略了硫掺杂剂的电化学活性。因此，研究键合硫的电化学活性对钠储存的影响是十分必要的。

3、因此，本发明提供一种多孔硫醚键功能化碳材料及制备方法和应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种多孔硫醚键功能化碳材料及制备方法和应用。本发明可将制备得到的多孔硫醚键功能化碳材料作为活性电极材料组装到钠电池中。本发明的多孔硫醚键功能化碳材料在安全、低成本、高能量和长寿命的(rt)na-s电池中具有很大的应用潜力。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

3、s1：将氯化钠、葡萄糖、硫脲和水混合搅拌均匀，得到溶液a；

4、s2：对所述溶液a依次进行冷冻、真空冷冻干燥和研磨，得到前驱体粉末；

5、s3：对所述前驱体粉末依次进行热解碳化处理、洗涤、真空干燥和研磨，得到所述多孔硫醚键功能化碳材料。

6、根据本发明，优选地，所述氯化钠、葡萄糖、硫脲和水的用量比为（8-9）：（0.6-1.0）：（1.5-2.5）：（50-100）g/g/g/ml。

7、根据本发明，优选地，所述混合搅拌的时间为1.5-2.5h。

8、根据本发明，优选地，所述冷冻的时间为12-36h，所述冷冻的温度为-15℃到-30℃。

9、根据本发明，优选地，所述热解碳化处理包括在n2气氛保护下依次进行的升温保温阶段、降温阶段和自然冷却阶段。

10、根据本发明，优选地，所述升温保温阶段的升温速率为3-8℃/min，所述升温保温阶段升温至850-950℃，所述升温保温阶段的保温时间为1.5-2.5h。

11、根据本发明，优选地，所述降温阶段的降温速率为5-10℃/min，所述降温阶段将温度降至450-550℃。

12、在本发明中，作为优选方案，将前驱体粉末以瓷舟为载体，置于管式炉中，在n2气氛保护下进行热解碳化处理。

13、在本发明中，作为优选方案，所述洗涤为用去离子水抽滤洗涤若干次，以除去氯化钠。

14、根据本发明，优选地，所述真空干燥的温度为55-65℃，所述真空干燥的时间为10-15h。

15、本发明第二方面提供了所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法制备得到的多孔硫醚键功能化碳材料。

16、本发明第三方面提供了所述的多孔硫醚键功能化碳材料作为钠电池的活性电极材料的应用。

17、根据本发明，优选地，将所述多孔硫醚键功能化碳材料作为钠电池的硫阴极材料。进一步优选地，所述钠电池为室温(rt) na-s电池。

18、本发明采用葡萄糖和硫脲分别作为碳源和硫源，制得的多孔硫醚键功能化碳材料在钠存储中的使用产生了显著的可逆容量，这是因为常温(rt) na-s电池激活过程中，在0.01-0.50v的电压范围内，硫醚键的断裂。在放电循环中，释放出的硫与钠离子反应生成不溶性na2s和na2s2。此外，短硫化物和小硫种被囚禁在原始硫掺杂引起的碳缺陷中，抑制了梭效应的致命问题，进一步大幅提高了(rt) na-s电池的性能。因此，利用这种硫醚键功能化碳作为阴极，在安全、低成本、高能量和长寿命的(rt) na-s电池中具有很大的潜力。

19、本发明的技术方案的有益效果如下：

20、（1）本发明采用冷冻干燥、煅烧的方法将硫原子共价结合到碳主体材料上，设计并合成了一种硫醚键功能化碳材料（sc），合成方法简便，条件温和，原材料价格低廉，可以大规模合成，安全无毒，反应周期短，可重复性高，氯化钠可回收。

21、（2）本发明可将制备得到的多孔硫醚键功能化碳材料作为活性电极材料组装到钠电池中。且测试结果表明：本发明所制备的多孔硫醚键功能化碳材料具有卓越的可逆容量、循环稳定性和循环可逆性。其放电/充电电压平台在连续100个循环中分别保持在0.90-1.50v和1.60-2.00v之间的重叠。在100次循环中具有500ma·h·g−1的卓越可逆容量，并且在100ma·g−1的电流密度下具有60%的高原始库仑效率，用于钠存储。此外，库仑效率迅速上升，并达到稳定的水平，几乎100%。

22、（3）本发明制备的多孔硫醚键功能化碳材料可用于大规模储能用硫阴极的制备和应用。本发明制备的多孔硫醚键功能化碳材料有利于在先进(rt) na-s电池生产中推广应用，能大幅提高(rt) na-s电池的性能。

23、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，其中，所述氯化钠、葡萄糖、硫脲和水的用量比为（8-9）：（0.6-1.0）：（1.5-2.5）：（50-100）g/g/g/ml。

3.根据权利要求1所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，其中，所述混合搅拌的时间为1.5-2.5h。

4.根据权利要求1所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，其中，所述冷冻的时间为12-36h，所述冷冻的温度为-15℃到-30℃。

5.根据权利要求1所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，其中，所述热解碳化处理包括在n2气氛保护下依次进行的升温保温阶段、降温阶段和自然冷却阶段。

6.根据权利要求5所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，其中，

7.根据权利要求1所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法，其中，所述真空干燥的温度为55-65℃，所述真空干燥的时间为10-15h。

8.权利要求1-7中任意一项所述的多孔硫醚键功能化碳材料的制备方法制备得到的多孔硫醚键功能化碳材料。

9.权利要求8所述的多孔硫醚键功能化碳材料作为钠电池的活性电极材料的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其中，将所述多孔硫醚键功能化碳材料作为钠电池的硫阴极材料。

技术总结本发明属于电化学储能技术领域，公开了一种多孔硫醚键功能化碳材料及制备方法和应用。所述制备方法包括：将氯化钠、葡萄糖、硫脲和水混合搅拌均匀，得到溶液A；对溶液A依次进行冷冻、真空冷冻干燥和研磨，得到前驱体粉末；对前驱体粉末依次进行热解碳化处理、洗涤、真空干燥和研磨，得到多孔硫醚键功能化碳材料。本发明可将制备得到的多孔硫醚键功能化碳材料作为活性电极材料组装到钠电池中。本发明的多孔硫醚键功能化碳材料在安全、低成本、高能量和长寿命的(RT)Na‑S电池中具有很大的应用潜力。技术研发人员：程锦国,邱晓清受保护的技术使用者：江西科星储能技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4