本技术涉及一种碳包覆氧空位H-CeO2@C-NC复合材料的制备方法及其应用。制备过程包括:步骤1,利用聚乙烯作为碳源,通过热解法制备出富氧空位的H-CeO2空心球;步骤2,将制备得到的H-CeO2空心球与含氮前驱体进行混合,再经过热处理,形成H-CeO2@C-NC复合材料。该材料具有优异的催化性能,可广泛应用于环境治理和能源转换等领域。
背景技术
锂硫电池(Li-S)具有低成本、良好的环境兼容性和2600Wh kg-1
的理论能量密度等优点,受到越来越多的关注,然而,其实际应用一直受到Li2
S较差的可逆转化导致的缓慢氧化还原动力学以及可溶锂多硫化物(LiPSs)的穿梭行为导致的严重容量衰减的阻碍,将液态多硫化物还原为固态Li2
S,能够贡献约75%的理论容量,为此,开发高效催化剂加速Li2
S的成核过程,即Li2
S4
→Li2
S和减少S物质积累,提高锂硫电池容量和循环寿命至关重要。
传统催化剂通常会导致Li2
S在催化剂表面堆积,从而导致活性位点堵塞,使催化剂失活,同时,Li2
S解离过程(Li2
S→LiS)的高活化能垒进一步降低了反应动力学,而金属氧化物,例如TiO2
、MnO2
、In2
O3
等,通常含有氧化态为O2-
的氧阴离子和强极性表面,可被用作锚定LiPSs和消除穿梭效应的极性位点,但高极性的优势很可能被宽带隙半导体特性所导致的固有电子导电性差所抵消;更糟糕的是,缓慢的LiPSs转化能力会反过来加剧不溶性Li2
S的积累,从而使催化剂钝化;此外,Li2
S成核解离的高活化能势垒会进一步恶化Li-S电池的电化学性能。因此,开发具有良好的活化中心,既能稳定成核又能有效解离Li2
S的高活性和耐用的双向催化剂至关重要。
目前,增加活性位点的数量和创建合适的电子结构被认为是同时实现强硫约束和加速Li-S电池中LiPSs转化的有效方法,缺陷工程是一种理想的增加活性位点数量的方案,因为缺陷可以调整表面性能和电子分布,作为常见和关键的缺陷类型,掺杂杂原子和阴离子空位作为常见的缺陷类型,均都能在原子水平上有效地调节催化剂的电催化性能,从而加速氧化还原动力学,抑制穿梭效应,例如:[J.Zhou,S.W.Sun,X.C.Zhou,X.Y.Rao,X.Y.Xu,Z.Zhang,Z.D.Pan,Q.C.Wang,Z.L.Wang,Y.T.Wu,W.D.Wagner,X.B.Guo,X.Liu,C.Wang,C.H.Lu,Y.Zhang,Defect engineering enables an advanced separator modificationfor high-performance lithium-sulfur batteries,Chemical Engineering Journal,487(2024)150574.]中报道了一种多功能的缺氧二氧化钛/N掺杂介孔碳纳米复合材料(TiO2-x
@NMC),作为一种高效的多硫化物缓冲剂和催化转化介质,TiO2-x
@NMC-aided分离器通过良好的吸附和催化转化为不溶性Li2
S2
/Li2
S,有效抑制了LiPSs的游离,在受限的TiO2
纳米颗粒(NPs)上原位生成了丰富的氧空位(VO
),进一步促进了多硫化物的氧化还原化学,避免了LiPSs的积累和穿梭;[S.Cheng,J.Wang,S.R.Duan,J.Zhang,Q.Wang,Y.Zhang,L.G.Li,H.T.Liu,Q.B.Xiao,H.Z.Lin,Anionic oxygen vacancies in Nb2
O5-x
/carbonhybrid host endow rapid catalytic behaviors for high-performance high arealloading lithium sulfur pouch cell,Chemical Engineering Journal,417(2021)128172.]在高导电性的分层多孔纳米碳上开发并合成了具有阴离子氧空位的氧化铌纳米颗粒(AOV-Nb2
O5-x
@HHPC),作为硫锚定和锂离子加速器,证明了氧空位越多的催化剂与多硫化物的相互作用能力越强,使得杂化多孔基质具有更强的催化能力,促进离子动力学,降低障碍,促进Li2
S的析出;[D.Zhang,T.F.Duan,Y.X.Luo,S.S.Liu,W.Q.Zhang,Y.Q.He,K.Zhu,L.Huang,Y.Yang,R.Z.Yu,X.K.Yang,H.B.Shu,Y.Pei,X.Y.Wang,M.F.Chen,Oxygen Defect-Rich WO3-x
-W3
N4
Mott-Schottky Heterojunctions Enabling Bidirectional Catalysisfor Sulfur Cathode,Advanced Functional Materials,33(42)(2023)2306578.]中设计了富氧缺陷WO3-x
-W3
N4
Mott-Schottky异质结作为高效催化剂,WO3
和W3
N4
之间的协同作用有效地促进了LiPSs的平稳固定-扩散-转化;此外,氧空位可以作为吸附产物吸附和活化的活性位点,有效地抑制载流子重组,降低电荷转移的能垒,同时具有氧空位的Mott-Schottky异质结可以作为有效的催化剂,更重要的是,它可以满足Sabatier原理,进行适当的吸附。
尽管上述研究领域已取得了很大进展,但已开发的催化剂不能同时满足对LiPSs的“强吸附”和“快速转化”要求,无法实现优异倍率能力(>4C)和循环稳定性(>1000次循环)的Li-S电池要求,因此,新型催化剂的合理设计和工程化,对锂硫电池的实用应用仍然具有重要意义。
实现思路