CN107579188B - 二氧化钛掺杂氮化碳及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化钛掺杂氮化碳及其制备方法与应用。一种二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法，包括以下步骤：将氮化碳加入到碱液中超声处理至所述氮化碳分散均匀得到第一分散液；再向所述第一分散液中加入二氧化钛进行超声处理至二氧化钛分散均匀得到第二分散液；及将所述第二分散液进行水热处理得到二氧化钛掺杂氮化碳。上述二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳应用于锂硫电池隔膜，氮化碳和二氧化钛能发挥较好的协同作用，可以兼具对硫的较强的吸附作用，抑制多硫化物的穿梭效应，且有利于硫的氧化还原反应，从而提高电池的比容量及循环稳定性。

Description

二氧化钛掺杂氮化碳及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及锂二次电池制备技术领域，特别是涉及二氧化钛掺杂氮化碳及其制备方法与应用。

背景技术

随着先进电子设备，如手机、笔记本电脑等在我们生活中的作用越来越大，人们对能源储存系统的需求越来越高。在锂硫电池系统中，单质硫正极具有高达1675mAh·g^-1的理论比容量，与金属锂组成电池时，电池对的理论能量密度能达到2600Wh·kg^-1，另外硫单质具有资源丰富、环境友好、价格低廉等优点，锂硫电池已成为最有潜力的下一代高能量密度电池系统。但锂硫电池也存在着诸多问题有待解决，其中最为突出的是单质硫在放电过程中生成的多硫化物中间产物在电解质中的溶解，导致锂硫电池库伦效率低、容量衰减快、金属锂负极易腐蚀以及自放电现象严重等。

当前，在市场上应用的主要隔膜为聚丙烯、聚乙烯及其它们的复合物，只能起到防止电池正极、负极直接接触发生短路的作用。针对锂硫电池系统存在的问题，近年来部分学者在隔膜系统做了相关研究，例如在隔膜上涂覆一层阻隔层，包括石墨烯、碳纳米管、多孔碳等，能够在一定程度抑制多硫化物的“穿梭效应”，但是这些材料功能较单一，不能阻止多硫化物向负极扩散，仅起到物理阻隔的作用，从而导致目前改性的隔膜应用在锂硫电池中，库伦效率及循环稳定性不佳。因此，仍需开发一种新型的多功能隔膜来提高锂硫电池的性能。

发明内容

基于此，有必要针对目前锂硫电池库伦效率低及循环稳定性不佳的问题，提供一种二氧化钛掺杂氮化碳及其制备方法与应用。

一种二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法，包括以下步骤：

将氮化碳加入到碱液中超声处理至所述氮化碳分散均匀得到第一分散液；

再向所述第一分散液中加入二氧化钛进行超声处理至二氧化钛分散均匀得到第二分散液；及

对所述第二分散液进行水热处理得到二氧化钛掺杂氮化碳。

在其中一个实施方式中，在所述将氮化碳加入到碱液中超声处理至所述氮化碳分散均匀得到第一分散液的步骤之前还包括对所述氮化碳进行剥离处理的步骤：

将所述氮化碳分散于浓硝酸中进行超声处理；及

对所述氮化碳进行洗涤至中性。

在其中一个实施方式中，在所述将氮化碳加入到碱液中超声处理至所述氮化碳分散均匀得到第一分散液的步骤之前还包括制备所述氮化碳的步骤：

将三聚氰胺分散于甲醇中得到三聚氰胺的甲醇分散液；

再向所述三聚氰胺的甲醇分散液中加入浓盐酸得到混合液；

将所述混合液进行干燥处理得到中间产物；及

在保护性气体气氛下，将所述中间产物在500℃～600℃下进行加热处理得到氮化碳。

在其中一个实施方式中，所述水热处理的温度为120℃～140℃，所述水热处理的时间为12h～36h。

在其中一个实施方式中，所述氮化碳与所述二氧化钛的质量比为10:1～10:4。

一种二氧化钛掺杂氮化碳，采用上述的二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法制备得到。

一种二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，包括基体及覆盖所述基体表面的复合涂层；

所述复合涂层中含有导电剂、粘结剂及上述的二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳；

所述导电剂选自活性炭、乙炔黑、琴科黑、石墨、石墨烯和碳纳米管中的至少一种。

在其中一个实施方式中，所述粘结剂选自聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素和聚乙二醇中的至少一种；

及/或，所述基体为电池隔膜、渗透膜或离子交换膜。

在其中一个实施方式中，所述导电剂与所述二氧化钛掺杂氮化碳的质量比为1:4～4:1；

及/或，所述导电剂与所述二氧化钛掺杂氮化碳的总质量与所述粘结剂的质量比为5:1～2:1。

上述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将导电剂和二氧化钛掺杂氮化碳混合均匀得到混合物；

再将所述混合物与粘结剂加入到分散剂中混合均匀得到复合浆料；及

将所述复合浆料涂覆于基体的表面再经过干燥处理得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料。

上述二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳应用于锂硫电池隔膜，氮化碳和二氧化钛能发挥较好的协同作用，可以兼具对硫的较强的吸附作用，抑制多硫化物的穿梭效应，且有利于硫的氧化还原反应，从而提高电池的比容量及循环稳定性。且上述二氧化钛掺杂氮化碳复合材料及其制备方法应用于锂硫电池隔膜，导电剂起到第二集流体的作用和物理阻隔的作用；而氮化碳可以有效的通过化学和物理的双重吸附作用抑制多硫化物的穿梭，而采用二氧化钛掺杂氮化碳，二氧化钛也可以对硫具有较强的静电吸附作用，有效抑制多硫化物穿梭，同时，二氧化钛在锂硫电池中还具有催化硫的氧化还原的作用，通过导电剂、二氧化钛及氮化碳的协同作用可以提高电池的比容量和循环寿命。

附图说明

图1为一实施方式的二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法的流程图；

图2为一实施方式的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料的制备方法的流程图；

图3为实施例1的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料制备得到的锂硫电池在0.5 C的电流充放电速率下的放电比容量和库伦效率与循环圈数的关系图；

图4为实施例1中制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和附图对二氧化钛掺杂氮化碳及其制备方法与应用做进一步的详细说明。

请参阅图1，一实施方式的二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法，包括以下步骤：

S110、制备氮化碳。

在其中一个实施方式中，制备氮化碳的步骤具体包括以下步骤：

S111、将三聚氰胺分散于甲醇中得到三聚氰胺的甲醇分散液。

在其中一个实施方式中，三聚氰胺与甲醇的质量比1:5～1:20。

在其中一个实施方式中，将三聚氰胺加入甲醇中后进行搅拌处理，搅拌处理的时间为1h～4h，搅拌处理的转速为80r/min～200r/min。

S112、向三聚氰胺的甲醇分散液中加入浓盐酸得到混合液。

在其中一个实施方式中，浓盐酸的质量浓度为20％～37％。

在其中一个实施方式中，三聚氰胺与浓盐酸的用量比为1g:1mL～1g:20mL。

在其中一个实施方式中，将浓盐酸加入三聚氰胺的甲醇分散液后进行搅拌处理，搅拌处理的时间为1h～4h，搅拌处理的转速为80r/min～200r/min。

S113、将混合液进行干燥处理得到中间产物。

在其中一个实施方式中，干燥处理在真空烘箱中进行。干燥处理的温度为 50℃～80℃。干燥处理的时间为5h～20h。

S114、在保护性气体气氛下，将中间产物在500℃～600℃下进行加热处理得到氮化碳。

在其中一个实施方式中，加热处理在管式炉中进行。

在其中一个实施方式中，保护性气体选自氮气、氦气和氩气中的至少一种。

在其中一个实施方式中，进行加热处理的时间为3h～6h。

S120、对氮化碳进行剥离处理。

在其中一个实施方式中，对氮化碳进行剥离处理的步骤具体包括：

S121、将氮化碳分散于浓硝酸中进行超声处理。

在其中一个实施方式中，氮化碳与浓硝酸的用量比为1g:5mL～1g:100mL，其中，浓硝酸的质量浓度为65％～95％。

在其中一个实施方式中，超声处理的功率为60W～140W；超声处理的时间为6h～15h。

S122、将氮化碳进行洗涤至中性得到剥离氮化碳。

在其中一个实施方式中，采用水和酒精交替对剥离氮化碳进行洗涤。

上述方法制备得到的剥离氮化碳的比表面积为60m²/g～180m²/g。

S130、将剥离氮化碳加入到碱液中超声处理至氮化碳分散均匀得到第一分散液。

在其中一个实施方式中，碱液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的至少一种。

在其中一个实施方式中，氢氧化钠溶液的摩尔浓度为5mol/L～10mol/L。

在其中一个实施方式中，剥离氮化碳与氢氧化钠溶液的用量比为 1g:40mL～1g:600mL。

在其中一个实施方式中，超声处理的功率为60W～140W；超声处理的时间为0.5h～3h。

S140、向第一分散液中加入二氧化钛进行超声处理至二氧化钛分散均匀得到第二分散液。

在其中一个实施方式中，二氧化钛的粒径为40nm～400nm。

在其中一个实施方式中，剥离氮化碳与二氧化钛的质量比为10:1～10:4。

在其中一个实施方式中，超声处理的功率为60W～140W；超声处理的时间为0.5h～3h。

在其中一个实施方式中，将二氧化钛超声处理分散均匀后再搅拌1h～3h。

S150、将第二分散液进行水热处理得到二氧化钛掺杂氮化碳。

在其中一个实施方式中，在水热反应釜中进行水热处理。进行水热处理的温度为120℃～140℃，水热处理的时间为12h～36h。

一种二氧化钛掺杂氮化碳通过上述方法制备得到。

上述二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法，将氮化碳分散于氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液能够活化氮化碳，增加氮化碳的空隙，增大氮化碳的比表面积，从而使得二氧化钛能够更均匀的附着在氮化碳的表面；而且，氢氧化钠溶液可以促使二氧化钛颗粒转变成二氧化钛纳米管，进一步增大二氧化钛的催化活性和比表面积。上述二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法简单，易实现工业化生产。

在锂硫电池中，氮化碳可以起到很好的物理和化学吸附作用，但是氮化碳不导电，活性物质硫氧化还原中，产生的电子不能导出，不利于氧化还原反应的进行，而上述方法制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳，一方面，二氧化钛也可以对硫具有较强的静电吸附作用，有效抑制多硫化物穿梭，提高硫的利用率，从而提高电池的比容量及循环稳定性；另一方面，二氧化钛在锂硫电池中还具有催化硫的氧化还原的作用，提高电池的比容量和循环寿命。上述二氧化钛掺杂氮化碳应用于锂硫电池隔膜，氮化碳和二氧化钛能发挥较好的协同作用，可以兼具对硫的较强的吸附作用，抑制多硫化物的穿梭效应，且有利于硫的氧化还原反应，从而提高电池的比容量及循环稳定性。

需要说明的是，步骤110可以省略，当省略步骤110时，可以直接采用外购的氮化碳；步骤120也可以省略，当省略步骤120时，可以采用未经剥离处理的氮化碳替代后续步骤中的剥离氮化碳，也可以直接采用步骤110获得的氮化碳进行后续步骤。

一实施方式的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料包括基体及涂覆于基材表面的复合涂层。

在其中一个实施方式中，基体为电池隔膜、渗透膜或离子交换膜。优选的，电池隔膜选自聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、乙烯丙烯共聚物隔膜、玻璃纤维隔膜中的至少一种。

进一步优选的，隔膜基体为玻璃纤维隔膜。玻璃纤维隔膜具有丰富的孔道结构，与普通聚丙烯、聚乙烯等隔膜材料相比，有利于电解液的浸润及保持，有利于锂离子的传输，且具有极高的热稳定性。但是玻璃纤维隔膜与其它隔膜材料相比，孔尺寸较大，也导致了多硫化物易产生穿梭效应，通过物理的阻隔作用较难抑制穿梭效应。

在其中一个实施方式中，基体的厚度为20μm～400μm。

在其中一个实施方式中，在基体的其中一个表面覆盖复合涂层。其中，复合涂层中含有二氧化钛掺杂氮化碳、导电剂及粘结剂。

在其中一个实施方式中，导电剂选自活性炭、乙炔黑、琴科黑、石墨、石墨烯和碳纳米管中的至少一种。

优选地，导电剂为乙炔黑。采用二氧化钛掺杂氮化碳和乙炔黑作为复合涂层制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料应用于锂硫电池隔膜时，复合涂层处于隔膜基体和锂硫电池的正极之间，在多硫化物存在时，乙炔黑一方面起到阻隔层的作用，另一方面可以传递充放电过程中产生的电子，起到第二集流体的作用；而二氧化钛掺杂氮化碳一方面起到阻隔层的作用，而且二氧化钛掺杂氮化碳比表面积大；且氮元素的存在，可以有效的通过化学和物理的双重吸附作用抑制多硫化物的穿梭，另一方面，二氧化钛也可以对硫具有较强的静电吸附作用，有效抑制多硫化物穿梭，提高硫的利用率，从而提高电池的比容量及循环稳定性；此外，二氧化钛在锂硫电池中还具有催化硫的氧化还原的作用，提高电池的比容量和循环寿命。

在其中一个实施方式中，导电剂的粒径为30nm～300nm。

在其中一个实施方式中，粘结剂选自聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素和聚乙二醇中的至少一种。

在其中一个实施方式中，导电剂与二氧化钛掺杂氮化碳的质量比为1:4～4:1。

在其中一个实施方式中，导电剂与二氧化钛掺杂氮化碳的总质量与粘结剂的质量比为5:1～2:1。

在其中一个实施方式中，复合涂层的厚度为100nm～20μm。

上述二氧化钛掺杂氮化碳复合材料可以应用于锂硫电池隔膜，在多硫化物存在时，导电剂一方面可以传递充放电过程中产生的电子，起到第二集流体的作用，另一方面，导电剂也能起到物理阻隔的作用，但阻隔效果不佳；而氮化碳为纳米片层结构，具有较好的物理阻隔作用，且氮化碳比表面积大，并由于氮元素的存在，可以有效的通过化学和物理的双重吸附作用抑制多硫化物的穿梭，但氮化碳不具有导电性，活性物质硫氧化还原中，产生的电子不能导出，不利于氧化还原反应。而采用二氧化钛掺杂氮化碳，一方面，二氧化钛也可以对硫具有较强的静电吸附作用，有效抑制多硫化物穿梭，提高硫的利用率，从而提高电池的比容量及循环稳定性；另一方面，二氧化钛在锂硫电池中还具有催化硫的氧化还原的作用，提高电池的比容量和循环寿命。上述二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，采用二氧化钛掺杂氮化碳和导电剂作为复合涂层，两者结合复合涂层处于隔膜基体和锂硫电池的正极之间，可以保持导电剂较好的电子传导性能和氮化碳较好的化学和物理阻隔作用，同时克服了导电剂阻隔性能不佳和单一的氮化碳存在时氮化碳导电性不佳而导致电子不能导出从而不利于氧化还原反应的缺点。

上述二氧化钛掺杂氮化碳复合材料中复合涂层的厚度较低，当应用于锂硫电池时可以大大降低锂硫电池隔膜的重量，而隔膜的重量是影响电池能量密度的一个重要影响因素，降低锂硫电性隔膜的重量有利于电池能力密度的提高。

上述二氧化钛掺杂氮化碳复合材料通过二氧化钛、氮化碳和导电剂的协同作用使得锂硫电池具有较高的放电比容量和循环稳定性。

同时，采用上述二氧化钛掺杂氮化碳和导电剂的复合涂层对玻璃纤维隔膜进行改性制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料可以克服玻璃纤维隔膜孔尺寸大，难以抑制多硫化物穿梭效应的问题，并且兼具了玻璃纤维隔膜有利于电解液浸润和保持，有利于锂离子的传输且热稳定性好的优点。

请参阅图2，一实施方式的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S210、将导电剂和二氧化钛掺杂氮化碳混合均匀得到混合物。

在其中一个实施方式中，采用研磨的方式将导电剂和二氧化钛掺杂氮化碳混合均匀。研磨的时间为0.5h～2h。

在其中一个实施方式中，导电剂选自活性炭、乙炔黑、琴科黑、石墨、石墨烯和碳纳米管中的至少一种。

在其中一个实施方式中，导电剂的粒径为30nm～300nm。

在其中一个实施方式中，导电剂与二氧化钛掺杂氮化碳的质量比为1:4～4:1。

S220、将混合物与粘结剂加入到分散剂中混合均匀得到复合浆料。

在其中一个实施方式中，粘结剂选自聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素和聚乙二醇中的至少一种。

在其中一个实施方式中，分散剂选自去离子水、乙醇、甲苯和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。优选地，分散剂为N-甲基吡咯烷酮。

在其中一个实施方式中，导电剂与二氧化钛掺杂氮化碳的总质量与粘结剂的质量比为5:1～2:1。

在其中一个实施方式中，分散剂与二氧化钛掺杂氮化碳的质量比为3:1～1:1。

在其中一个实施方式中，采用搅拌的方式将混合物与粘结剂和分散剂混合均匀。在其中一个实施方式中，搅拌的速率为80r/min～200r/min，搅拌的时间为 2h～12h。

S230、将复合浆料涂覆于基体的表面再经过干燥处理得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料。

在其中一个实施方式中，基体选自隔膜基体、渗透膜基体或离子交换膜基体。

在其中一个实施方式中，隔膜基体选自聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯/ 聚丙烯隔膜、玻璃纤维隔膜中的至少一种。

在其中一个实施方式中，干燥处理的温度为50℃～100℃；干燥处理的时间为6h～24h。

在其中一个实施方式中，复合涂层的厚度为100nm～20μm。

上述二氧化钛掺杂氮化碳复合材料的制备方法简单、易实现工业化生产。

下面是具体实施例的说明，以下实施例如无特殊说明，则不含有除不可避免的杂质以外的其他未明确指出的组分。

实施例1

将5g三聚氰胺分散于75g的甲醇中搅拌1h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入5mL的质量浓度为37％的浓盐酸，继续搅拌 1h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在600℃下加热处理得到氮化碳。将1g氮化碳加入50mL 质量浓度为95％的浓硝酸中，进行超声处理，其中，超声处理的功率为100W，超声处理的时间为15h；再采用水和酒精交替对氮化碳进行洗涤至中性得到剥离氮化碳，剥离氮化碳的比表面积为160m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到40mL的摩尔浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为1h；再向其中加入0.02g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为1h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为120℃，水热处理的时间为24h。

将0.2g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.2g的导电剂乙炔黑通过研磨的方式研磨 1h至混合均匀得到混合物；再将混合物和0.2g的粘结剂聚乙二醇加入到0.2g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌6h得到复合浆料。将复合浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，复合浆料形成的复合涂层的厚度为200nm。

实施例2

将10g三聚氰胺分散于100g的甲醇中搅拌1h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入200mL的质量浓度为20％的浓盐酸，继续搅拌4h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在550℃下加热处理得到氮化碳初产物。将1g氮化碳初产物加入50mL质量浓度为95％的浓硝酸中，进行超声波处理，其中，超声波处理的功率为100W，超声波处理的时间为10h；再采用水和酒精交替对氮化碳初产物进行洗涤至中性得到氮化碳，氮化碳的比表面积为180m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到120mL的摩尔浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为3h；再向其中加入0.08g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为3h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为140℃，水热处理的时间为 12h。

将0.2g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.1g的导电剂乙炔黑通过研磨的方式研磨 1h至混合均匀得到混合物；再将混合物和0.1g的粘结剂聚乙烯醇加入到0.4g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌10h得到复合浆料。将复合浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，复合浆料形成的复合涂层的厚度为200nm。

实施例3

将5g三聚氰胺分散于100g的甲醇中搅拌1h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入50mL的质量浓度为37％的浓盐酸，继续搅拌2h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在500℃下加热处理得到氮化碳初产物。将1g氮化碳初产物加入100mL质量浓度为65％的浓硝酸中，进行超声波处理，其中，超声波处理的功率为140W，超声波处理的时间为6h；再采用水和酒精交替对氮化碳初产物进行洗涤至中性得到氮化碳，氮化碳的比表面积为65m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到100mL的摩尔浓度为8mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为100W，超声处理的时间为2h；再向其中加入0.04g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为100W，超声处理的时间为2h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为140℃，水热处理的时间为 12h。

将0.2g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.05g的导电剂琴科黑通过研磨的方式研磨1h至混合均匀得到混合物；再将混合物和0.05g的粘结剂羧甲基纤维素加入到0.6g的分散剂去离子水中搅拌12h得到复合浆料。将复合浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，复合浆料形成的复合涂层的厚度为10μm。

实施例4

将10g三聚氰胺分散于50g的甲醇中搅拌1h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入50mL的质量浓度为37％的浓盐酸，继续搅拌1h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在500℃下加热处理得到氮化碳初产物。将1g氮化碳初产物加入5mL质量浓度为95％的浓硝酸中，进行超声波处理，其中，超声波处理的功率为60W，超声波处理的时间为15h；再采用水和酒精交替对氮化碳初产物进行洗涤至中性得到氮化碳，氮化碳的比表面积为60m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到80mL的摩尔浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为60W，超声处理的时间为3h；再向其中加入0.08g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为60W，超声处理的时间为3h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为130℃，水热处理的时间为24h。

将0.1g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.4g的导电剂活性炭通过研磨的方式研磨 1h至混合均匀得到混合物；再将混合物和0.1g的粘结剂聚偏二氟乙烯加入到 0.3g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌2h得到复合浆料。将复合浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，复合浆料形成的复合涂层的厚度为20μm。

实施例5

将10g三聚氰胺分散于50g的甲醇中搅拌4h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入100mL的质量浓度为30％的浓盐酸，继续搅拌2h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在550℃下加热处理得到氮化碳初产物。将1g氮化碳初产物加入80mL质量浓度为80％的浓硝酸中，进行超声波处理，其中，超声波处理的功率为120W，超声波处理的时间为12h；再采用水和酒精交替对氮化碳初产物进行洗涤至中性得到氮化碳，氮化碳的比表面积为155m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到60mL的质量浓度为6mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为2h；再向其中加入0.05g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为2h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为120℃，水热处理的时间为24h。

将0.2g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.2g的导电剂石墨烯通过研磨的方式研磨 1h至混合均匀得到混合物；再将混合物和0.2g的粘结剂聚偏二氟乙烯加入到 0.2g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌12h得到复合浆料。将复合浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，复合浆料形成的复合涂层的厚度为 500nm。

实施例6

将10g三聚氰胺分散于200g的甲醇中搅拌3h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入20mL的质量浓度为37％的浓盐酸，继续搅拌2h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在550℃下加热处理得到氮化碳初产物。将1g氮化碳初产物加入20mL质量浓度为70％的浓硝酸中，进行超声波处理，其中，超声波处理的功率为80W，超声波处理的时间为10h；再采用水和酒精交替对氮化碳初产物进行洗涤至中性得到氮化碳，氮化碳的比表面积为75m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到80mL的摩尔浓度为6mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为80W，超声处理的时间为2h；再向其中加入0.06g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为80W，超声处理的时间为2h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为120℃，水热处理的时间为24h。

将0.2g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.4g的导电剂碳纳米管通过研磨的方式研磨1h至混合均匀得到混合物；再将混合物和0.3g的粘结剂聚偏二氟乙烯加入到 0.6g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌5h得到复合浆料。将复合浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，复合浆料形成的复合涂层的厚度为10μm。

实施例7

将10g三聚氰胺分散于50g的甲醇中搅拌1h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入20mL的质量浓度为37％的浓盐酸，继续搅拌1h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在500℃下加热处理得到氮化碳初产物。将1g氮化碳初产物加入5mL质量浓度为95％的浓硝酸中，进行超声波处理，其中，超声波处理的功率为60W，超声波处理的时间为15h；再采用水和酒精交替对氮化碳初产物进行洗涤至中性得到氮化碳，氮化碳的比表面积为60m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到100mL的摩尔浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为0.5h；再向其中加入0.03g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为0.5h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为130℃，水热处理的时间为 24h。

将0.1g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.1g的粘结剂聚偏二氟乙烯加入到0.3g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌12h得到浆料。将浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到氮化碳复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，浆料形成的涂层的厚度为20μm。

实施例8

将0.4g的导电剂乙炔黑和0.1g的粘结剂聚偏二氟乙烯加入到0.3g的分散剂 N-甲基吡咯烷酮中搅拌12h得到浆料。将浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面，再在60℃下干燥处理12h得到复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300μm，浆料形成的涂层的厚度为500nm。

实施例9

将10g三聚氰胺分散于200g的甲醇中搅拌3h得到三聚氰胺的甲醇分散液，再向三聚氰胺的甲醇分散液中加入20mL的质量浓度为37％的浓盐酸，继续搅拌2h得到混合液。将混合液置于真空干燥箱中，蒸干甲醇等得到中间产物，再在氮气气氛下，将中间产物在550℃下加热处理得到氮化碳初产物。将1g氮化碳初产物加入30mL质量浓度为70％的浓硝酸中，进行超声波处理，其中，超声波处理的功率为80W，超声波处理的时间为10h；再采用水和酒精交替对氮化碳初产物进行洗涤至中性得到氮化碳，氮化碳的比表面积为75m²/g。

将0.2g的剥离氮化碳加入到20mL的摩尔浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液中，进行超声处理至剥离氮化碳分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为1h；再向其中加入0.02g的二氧化钛粉末，进行超声处理至二氧化钛分散均匀，其中，超声处理的功率为140W，超声处理的时间为1h；再放入水热釜中进行水热处理，水热处理的温度为120℃，水热处理的时间为 24h。

将0.2g的二氧化钛掺杂氮化碳和0.3g的粘结剂聚偏二氟乙烯加入到0.6g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌12h得到二氧化钛掺杂氮化碳浆料；将二氧化钛掺杂氮化碳浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的一面。将0.1g的导电剂琴科黑和0.3g的粘结剂聚偏二氟乙烯加入到0.6g的分散剂N-甲基吡咯烷酮中搅拌12h得到乙炔黑浆料；将乙炔黑浆料涂覆于玻璃纤维隔膜的另一面。再在60℃下干燥处理12h 得到复合材料，其中，玻璃纤维隔膜的厚度为300um，二氧化钛掺杂氮化碳浆料形成的涂层的厚度为20μm；乙炔黑浆料形成的涂层的厚度为100um。

将实施例1～9所制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料或复合材料用于锂硫电池的隔膜，并对锂硫电池进行恒电流充放电测试。锂硫电池在0.5C的恒电流充放电速率下，电池的初始放电比容量、循环100圈后及循环500圈后电池的放电比容量、放电比容量保持率及库伦效率的结果如表1所示。实施例1 的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料制备得到的锂硫电池在0.5C的电流充放电速率下的放电比容量和库伦效率与循环圈数的关系图如图3所示。

其中，采用硫-乙炔黑复合材料作为正极，硫-乙炔黑复合材料中硫的质量分数为70％，以金属锂片作为对电极和参比电极，以浓度为1M的二(三氟甲基磺酰)亚胺锂溶液(溶剂为体积比为1:1的1,3-二氧五环和1,2-二甲氧基乙烷) 作为电解质，在充满氩气的手套箱(水和氧气含量小于1ppm)中组装CR2032 型号电池。在实施例1～8中复合涂层或涂层位于隔膜靠近硫正极的一面，实施例9中二氧化钛掺杂氮化碳涂层位于隔膜靠近锂箔一面，乙炔黑涂层位于隔膜靠近硫正极的一面。

对实施例1制备得到的二氧化钛掺杂氮化碳进行扫描电镜测试，扫描电镜照片如图4所示。其中，采用Zeiss supra 55VP扫描电镜进行测试。

表1

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其特征在于，包括基体及覆盖所述基体表面的复合涂层；

所述复合涂层中含有导电剂、粘结剂及二氧化钛掺杂氮化碳；

所述导电剂选自活性炭、乙炔黑、科琴黑、石墨、石墨烯和碳纳米管中的至少一种；

所述二氧化钛掺杂氮化碳的制备方法，包括以下步骤：

将氮化碳加入到碱液中超声处理至所述氮化碳分散均匀得到第一分散液；

再向所述第一分散液中加入二氧化钛进行超声处理至二氧化钛分散均匀得到第二分散液；及

对所述第二分散液进行水热处理得到二氧化钛掺杂氮化碳。

2.根据权利要求1所述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其特征在于，在所述将氮化碳加入到碱液中超声处理至所述氮化碳分散均匀得到第一分散液的步骤之前还包括对所述氮化碳进行剥离处理的步骤：

将所述氮化碳分散于浓硝酸中进行超声处理；及

对所述氮化碳进行洗涤至中性。

3.根据权利要求1所述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其特征在于，在所述将氮化碳加入到碱液中超声处理至所述氮化碳分散均匀得到第一分散液的步骤之前还包括制备所述氮化碳的步骤：

将三聚氰胺分散于甲醇中得到三聚氰胺的甲醇分散液；

再向所述三聚氰胺的甲醇分散液中加入浓盐酸得到混合液；

将所述混合液进行干燥处理得到中间产物；及

在保护性气体气氛下，将所述中间产物在500℃～600℃下进行加热处理得到氮化碳。

4.根据权利要求1所述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其特征在于，所述水热处理的温度为120℃～140℃，所述水热处理的时间为12h～36h。

5.根据权利要求1所述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其特征在于，所述氮化碳与所述二氧化钛的质量比为10:1～10:4。

6.根据权利要求1所述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其特征在于，所述粘结剂选自聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素和聚乙二醇中的至少一种；

及/或，所述基体为电池隔膜、渗透膜或离子交换膜。

7.根据权利要求1所述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料，其特征在于，所述导电剂与所述二氧化钛掺杂氮化碳的质量比为1:4～4:1；

及/或，所述导电剂与所述二氧化钛掺杂氮化碳的总质量与所述粘结剂的质量比为5:1～2:1。

8.如权利要求1～7任一项所述的二氧化钛掺杂氮化碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将导电剂和二氧化钛掺杂氮化碳混合均匀得到混合物；

再将所述混合物与粘结剂加入到分散剂中混合均匀得到复合浆料；及

将所述复合浆料涂覆于基体的表面再经过干燥处理得到二氧化钛掺杂氮化碳复合材料。

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