二硫化钼碳胶囊复合材料制备高性能超级电容器

作为二维过渡金属硫化物的经典材料,层状二硫化钼纳米片(MoS2)在场效应晶体管、光电探测器、光伏、锂电池、太阳能热能收集等领域得到广泛的关注。那二硫化钼碳胶囊复合材料是如何制备出高性能超级电容器的?

二硫化钼碳胶囊复合材料图片

基于MoS2的超级电容器有3种不同的机制存储电能:除了电化学双层电容(EDLC)和赝电容(PC)之外,2D MoS2较大的层间距还可以加速电解质离子(H+,K+,NH4+)在层之间的快速可逆插入,从而贡献一部分嵌入式赝电容。

二硫化钼具有1T MoS2、1H MoS2、2H MoS2和3R MoS2多种晶体结构。金属性1T MoS2虽然具有较好的超级电容器性能(质量比电容350-400 F/g, 体积比电容400-700 F/cm3),但是热力学亚稳相、制备较为困难、且电导率偏低,仅为10?100 S/cm。另外, MoS2纳米片之间易堆叠,是目前大多数二硫化钼基超级电容器质量比电容或体积比电容都较低的原因。1T和2H MoS2在负极化下分别表现出14.9?F/cm2和1.39?F/cm2的固有电容值。

MoS2图片0910

针对MoS2在超级电容器应用的不足,上海交通大学赵斌元副教授课题组在具有“一维+二维(1D+2D)”结构的二硫化钨纳米管-石墨烯基锂离子电池、可控合成生物兼容氮掺杂高比表面积中空碳纳米囊等前期工作的基础上,成功在碗状碳纳米囊内部限域中合成少数层2D MoS2纳米片,并将其应用于高性能超级电容器。相关研究成果发表在美国化学会(ACS)旗下的ACS Applied Nano Materials期刊上。

研究人员选取多孔中空碳胶囊和少数层二维二硫化钼为材料体系,通过结合电化学双层电容和赝电容这两种机制,成功实现了更高的电化学储能整体性能。他们通过真空初湿浸渍法,将硫代钼酸铵溶液吸附到碗状空心碳胶囊(HCNB)中形成二硫化钼纳米片填充的碗状碳胶囊复合结构(MoS2@HCNB),并将该MoS2@HCNB复合材料作为超级电容器电极材料,同时获得了优异的质量比电容(560 F/g)、体积比电容(874 F/cm3)和循环性能(在经过5000个循环之后具有94.4%的电容保持率)。

该工作为今后开发兼具高能量密度和高功率密度储能器件用的新型电极材料铺平了道路,也为合成具有核-壳结构的微纳结构和新材料提供了新途径。

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