一种一维氮化钼/二维氮化钒异质结及其制备方法与室温钠硫电池应用

本发明涉及室温钠硫电池电极材料，具体涉及一维氮化钼/二维氮化钒异质结1d mon/2d vn及其制备方法与室温钠硫电池应用。

背景技术：

0、技术背景

1、室温钠硫电池具有硫资源丰富、理论比容量高及成本低等优点，但在实际应用中仍存在若干问题。钠金属负极在沉积/剥离过程中易产生枝晶，导致安全性降低，同时不稳定的固态电解质界面会引起电解液持续消耗，影响循环性能。硫正极在反应过程中生成可溶性多硫化物 (na2sn，2≤n≤8)，易发生穿梭，造成活性物质流失及容量衰减。na2s的生成与转化过程动力学较慢，也限制了电池的倍率性能。

2、为改善上述问题，已有技术采用过渡金属氮化物调控钠硫电池正负极界面，其优异的导电性、催化活性和稳定性有助于促进多硫化物转化并稳定钠金属沉积。然而，氮化物异质结构的构筑通常涉及多组分协同氮化过程，不同金属氧化物前驱体之间存在氮化温度、反应动力学及晶相转变过程匹配困难等问题，导致异质界面的可控制备仍具有较高难度。目前，已有关于1d mon/2d v2o3氧化物-氮化物复合结构的报道（ji d, li h, du t, etal. synthesizing 1d molybdenum/2d vanadium-based heterostructures for zincbatteries [j]. acs applied energy materials, 2025, 8(22): 16610-20.），然而，1dmon/2d vn全氮化物异质结构的可控制备仍具有较大挑战，其构筑过程中面临前驱体结构保持、高温氮化过程中的同步转化以及稳定异质界面形成等关键问题。

3、如氮化钒可以调控钠沉积与剥离，进而提升钠负极的稳定性 （xia x, lv x, yaoy, et al. a sodiophilic vn interlayer stabilizing a na metal anode [j].nanoscale horizons, 2022, 7(8): 899-907），氮化钼不仅可促进多硫化物转化反应，还能够诱导钠离子均匀沉积，从而改善钠金属负极界面稳定性（li z, wang c, ling f, etal. room-temperature sodium–sulfur batteries: rules for catalyst selectionand electrode design [j]. advanced materials, 2022, 34(32): 2204214.）， 但单一材料在吸附能力与催化性能之间难以兼顾，整体调控效果有限。有研究通过构建异质结构改善界面特性，但现有技术多侧重单一电极过程，对钠负极沉积行为与硫正极反应过程的协同调控不足，且结构设计相对简单。

4、因此，有必要提供一种结构稳定、界面结合紧密的氮化物异质结材料，以同时改善钠沉积行为和多硫化物转化过程，从而提升室温钠硫电池的综合性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于室温钠硫电池的一维氮化钼/二维氮化钒异质结（1d mon/2d vn）材料及其制备方法，解决现有氮化物异质结结构可控性差、界面耦合程度低等问题，实现具有可控一维/二维耦合结构的氮化物异质结材料的可控制备，

2、本发明的另一目的在于提供上述一维氮化钼/二维氮化钒异质结材料在室温钠硫电池中的应用。所述异质结材料可同时用于钠金属负极界面修饰及硫正极功能化改性，负极侧能够调控钠离子均匀沉积、抑制钠枝晶生长并促进稳定固态电解质界面层形成；在正极侧能够增强对多硫化物的吸附与催化转化能力，抑制穿梭效应并提高硫活性物质利用率，有效提升室温钠硫电池的循环稳定性、倍率性能及长循环寿命。

3、为实现上述目的，本发明提供一种用于室温钠硫电池的1d mon/2d vn异质结材料的制备方法，将钒源和钼源分别溶解于去离子水中，在过氧化氢作用下形成均匀溶液；随后通过溶剂热反应分别得到氧化钒凝胶与氧化钼凝胶；将两种凝胶混合搅拌均匀，经冷冻干燥处理得到1d moo3/2d v2o5·1.6 h2o异质结构前驱体；在惰性气体保护下，通过氮源热分解产生含氮气氛，实现氧化物前驱体的原位氮化转化，得到1d mon/2d vn异质结材料。具体步骤如下：

4、(a) 将钒源溶于去离子水中搅拌，得到溶液a；同时将钼源溶于去离子水中搅拌，得到溶液b；

5、(b) 分别向所述溶液a和溶液b中加入氧化剂进行络合反应，得到前驱体溶液；

6、(c) 将步骤 (b) 所得溶液转移至反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后自然冷却至室温，分别得到氧化钒凝胶和氧化钼凝胶；

7、(d) 将所述氧化钒凝胶与氧化钼凝胶混合并搅拌，使其充分自组装，随后经冷冻处理及冷冻干燥，得到1d moo3/2d v2o5·1.6 h2o异质结构前驱体；

8、(e) 将所述前驱体与氮源置于管式炉中，在惰性气体保护下进行热处理，实现原位氮化转化，得到1d mon/2d vn异质结材料。

9、进一步地，步骤 (a) 中，所述钒源选自五氧化二钒、偏钒酸铵或三氯化钒中的一种或多种，所述钼源选自三氧化钼或钼酸铵中的一种或两种；所述溶液a和溶液b的浓度为10~100 mmol l⁻1。

10、进一步地，步骤（b）中，所述的氧化剂为双氧水，双氧水的质量分数为20～30%，用于促进前驱体溶解与络合。所述双氧水与钒源和钼源中金属元素的摩尔比为（50～200）:1。

11、进一步地，步骤 (c) 中，所述溶剂热反应温度为160~200 ℃，反应时间为4~10 h。

12、进一步地，步骤 (d) 中，所述搅拌时间为24~72 h；所述冷冻温度为−10~ −20 ℃，冷冻时间为8~24 h；所述冷冻干燥时间为24~48 h。

13、进一步地，所述步骤(e)中的氮源包括尿素、氨气或其他含氮有机物中的一种或多种；所述惰性气氛采用的气体为氩气或氮气，热处理温度为600~800℃，升温速率为2~10℃·min⁻1，保温时间为1~4 h。

14、进一步地，当所述氮源为固态氮源时，按照物质的量计，所述氮源与前驱体的摩尔比为（10~100）：1，此时惰性气氛采用的气体流量为3～15 sccm；当所述氮源为氨气时，氨气和惰性气氛采用混合气的形式通入反应体系，其中氨气在混合气中的体积占比70%，混合气的流量为50~300 ml·min⁻1。

15、进一步地，步骤 (e) 中，所述热处理过程在惰性气体保护下进行，所述惰性气体为氩气或氮气，气体流量为3～15 sccm；通过调节惰性气体流量，可控制炉内含氮活性气氛浓度，从而调节材料的氮化程度及产物组成。

16、进一步地，步骤 (e) 中，当惰性气体流量为3～15 sccm时，较低气体流速有利于维持炉内由氮源热分解产生的含氮活性气氛，从而促进氮化反应的进行；当惰性气体流量为15～30 sccm时，含氮活性气体被快速带走，导致氮化反应减弱，不利于高氮化程度产物的形成。

17、本发明还提供一维氮化钼/二维氮化钒异质结作为室温钠硫电池正极功能添加剂及钠金属负极界面修饰材料的应用，包括如下步骤：将所述1d mon/2d vn异质结材料通过机械辊压方式负载于钠金属负极表面，以构建改性钠负极；同时，将所述1d mon/2d vn异质结材料作为功能添加剂引入硫正极中，以构建改性硫正极。具体为：将1d mon/2d vn异质结材料均匀铺覆于金属钠箔表面，经机械辊压与压片处理后在室温下静置形成稳定人工固态电解质界面层，得到改性钠金属负极；同时，将硫/多孔碳复合材料、导电剂、1d mon/2d vn异质结材料及粘结剂加入n-甲基吡咯烷酮中混合制浆并涂覆于铝箔集流体表面，经真空干燥后制得室温钠硫电池硫正极，从而实现对钠硫电池正负极的双端协同改性。

18、相对于现有技术，本发明的有益效果：本发明构建的1d mon/2d vn异质结具有丰富的异质界面，有利于界面电荷分布调节，降低反应能垒。将所述材料应用于室温钠硫电池中，负极端人工固态电解质界面（sei）层可引导钠离子均匀沉积，抑制枝晶生长并改善固态电解质界面组成；正极端异质结添加剂对多硫化物具有吸附作用，且有助于降低na2s生成能垒，促进多硫化物转化反应。所述材料用于改善室温钠硫电池中钠金属负极枝晶生长及硫正极多硫化物转化缓慢等问题。

19、本发明所得1d mon/2d vn异质结材料具有良好的导电性和催化活性，可同时应用于室温钠硫电池正极与负极界面的协同调控，显著提升电池的循环稳定性、倍率性能及长循环寿命，表现出良好的电化学性能和广阔的应用前景。