二硫化鉬碳膠囊複合材料製備高性能超級電容器

2020-10-03 中鎢在線

作為二維過渡金屬硫化物的經典材料，層狀二硫化鉬納米片（MoS2）在場效應電晶體、光電探測器、光伏、鋰電池、太陽能熱能收集等領域得到廣泛的關注。那二硫化鉬碳膠囊複合材料是如何製備出高性能超級電容器的？

二硫化鉬碳膠囊複合材料

基於MoS2的超級電容器有3種不同的機制存儲電能：除了電化學雙層電容（EDLC）和贗電容（PC）之外，2D MoS2較大的層間距還可以加速電解質離子（H+，K+，NH4+）在層之間的快速可逆插入，從而貢獻一部分嵌入式贗電容。

二硫化鉬具有1T MoS2、1H MoS2、2H MoS2和3R MoS2多種晶體結構。金屬性1T MoS2雖然具有較好的超級電容器性能（質量比電容350-400 F/g, 體積比電容400-700 F/cm3），但是熱力學亞穩相、製備較為困難、且電導率偏低，僅為10−100 S/cm。另外， MoS2納米片之間易堆棧，是目前大多數二硫化鉬基超級電容器質量比電容或體積比電容都較低的原因。1T和2H MoS2在負極化下分別表現出14.9µF/cm2和1.39µF/cm2的固有電容值。

二硫化鉬MoS2

針對MoS2在超級電容器應用的不足，上海交通大學趙斌元副教授課題組在具有「一維+二維(1D+2D)」結構的二硫化鎢納米管-石墨烯基鋰離子電池、可控合成生物兼容氮摻雜高比表面積中空碳納米囊等前期工作的基礎上，成功在碗狀碳納米囊內部限域中合成少數層2D MoS2納米片，並將其應用於高性能超級電容器。相關研究成果發表在美國化學會(ACS)旗下的ACS Applied Nano Materials期刊上。

研究人員選取多孔中空碳膠囊和少數層二維二硫化鉬為材料體系，通過結合電化學雙層電容和贗電容這兩種機制，成功實現了更高的電化學儲能整體性能。他們通過真空初溼浸漬法，將硫代鉬酸銨溶液吸附到碗狀空心碳膠囊(HCNB)中形成二硫化鉬納米片填充的碗狀碳膠囊複合結構(MoS2@HCNB)，並將該MoS2@HCNB複合材料作為超級電容器電極材料，同時獲得了優異的質量比電容（560 F/g）、體積比電容（874 F/cm3）和循環性能（在經過5000個循環之後具有94.4%的電容保持率）。

該工作為今後開發兼具高能量密度和高功率密度儲能器件用的新型電極材料鋪平了道路，也為合成具有核-殼結構的微納結構和新材料提供了新途徑。

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