吉大韓煒教授課題組與美國德雷塞爾大學李臘博士JMCA：原位硫化法制備核殼結構NiMoO4@NiS2/MoS2納米線用于超級電容器

Alisa 4年前 (2019-09-20) 5328瀏覽

?【背景】

超級電容器因其超高的功率密度、快速充放電能力以及優越的循環性能，在儲能領域受到了廣泛的關注，然而低能量密度限制了其在實際生活中的實際應用，通過能量的公式E=1/2CV2可知，發展具有高比電容的電極并組裝成高電壓窗口的非對稱超級電容器是提升其能量密度的有效手段。NiMoO4作為二元金屬氧化物的一員，具有較高的比電容和良好的導電性，因此是一種頗具前景的贗電容材料，但是由于缺乏快速的電子轉移路徑和通暢的離子擴散通道往往表現出較差的倍率性能。形貌的設計和調控是改善材料倍率性能的有力手段，由兩種或三種物質而構成的分級核殼結構是最常見而有效的結構設計策略，兩種或多種物質的協同效應可以實現1+1>2的效果，然而，目前絕大多數的核殼結構都是通過分步法在一種物質上生長另一種，操作繁瑣、不易調控并且要求較高的合成成本，因此，尋求一種簡易、可控且高效的核殼結構的合成方法仍是一項有意義的挑戰。

【成果簡介】

近期，吉林大學韓煒教授課題組與美國德雷塞爾大學李臘博士合作在Journal of Materials Chemistry A期刊上發表題為“Hierarchical core–shell structural NiMoO4@NiS2/MoS2?nanowires fabricated via an in situ sulfurization method for high performance asymmetric supercapacitors”的研究論文，論文第一作者為吉林大學博士研究生陳鐸。在本文中作者通過對合成的NiMoO4納米線材料進行硫化處理，表層的NiMoO4發生熱轉化反應而原位生成NiS2/MoS2納米片，更有意思的是，通過控制反應中S與NiMoO4的比例就可以調控核殼結構NiMoO4@NiS2/MoS2的組分含量，以實現其最佳的電化學表現。通過原位硫化法合成的NiMoO4@NiS2/MoS2表層的納米片具有多界面并富含缺陷的異質結構，提升了材料比表面積可以暴露更多的活性位點，分級多孔的結構保證了離子的快速擴散，豐富的異質界面特別是核-殼之間的長程連續界面為電子的快速轉移提供了路徑。因此，NiMoO4@NiS2/MoS2電極表現了5A g?-1時970 F g-1的高容量，優越的倍率性能和良好的導電性，此外，與活性炭電極組裝成非對稱超級電容器，在700 W kg-1時可以提供 26.8 Wh kg-1能量密度。

【圖文導讀】

圖1.材料合成示意圖

核殼結構的NiMoO4@NiS2/MoS2納米線材料合成示意圖。

圖2.形貌表征

(a-c)分別為NiMoO4、NiMoO4@NiS2/MoS2和NiS2/MoS2樣品的SEM圖片；(d-f)為NiMoO4@NiS2/MoS2樣品的TEM和高分辨透射電鏡圖片，（g）是它的元素分布圖片。通過透射電鏡可以明顯的看出核殼結構，而且在外層硫化物與內部氧化物之間存在著長程連續的界面，提供了電子轉移的快速通道，在硫化物層存在著大量的異質界面和缺陷，增加了有效的活性位點，有利于電化學性能的提升。

圖3.樣品的XRD、BET、XPS表征

(a) 不同樣品的XRD圖譜；

(b) NiMoO4和S-NiMoO4-2樣品的氮氣吸脫附和孔徑分布曲線;

(c-f) NiMoO4-2樣品的XPS全譜和Ni 2p、Mo 3d、S 2p的高分辨XPS圖譜。

隨著反應物中S的含量增加，硫化物XRD的衍射峰強度逐漸增強，表示其含量逐漸增多。BET的測試結果表明，硫化后的樣品的比表面積有所增加，有利于增加活性位點，適當的孔徑結構也有助于離子的擴散。

圖4.?三電極測試分析結果

（a）不同樣品的恒流充放電曲線;

（b）各樣品的倍率性能對比;

（c）各樣品在不同掃描速率下的比電容；

（d）不同樣品的交流阻抗圖譜；

（e）樣品在不同電流密度下的恒流充放電曲線；

（f）樣品在不同掃描速率下的CV曲線；

（g）峰電流與對應掃描速率的對數曲線，用于確定b值；

（h）用于確定在U=0.4V時的k1與k2值的i/V1/2—v1/2的曲線；

（i）樣品在不同掃描速率下贗電容與擴散控制的容量貢獻對比圖。

圖5.?S-NiMoO4-2樣品與活性炭電極組成的非對稱超級電容的性能

(a)?非對稱超級電容器的組成結構示意圖；

(b) 正負電極在5?mV s-1的CV曲線；

(c) 電容器在不同電壓窗口下的CV曲線的對比;

(d)?電容器在0-1.4 V電壓下不同掃描速率的CV曲線；

(e)?電容器在不同電流密度下的恒流充放電曲線；

(f)?S-NiMoO4-2基的非對稱超級電容器與文獻中不同電容器的Ragone圖譜，插圖為該電容器點亮LED的實物展示。

【結論】

本工作報道了一種新型的核殼狀NiMoO4@NiS2/MoS2復合納米線材料，通過簡單的原位硫化的方法將NiMoO4納米棒的表層原位轉化成了NiS2/MoS2納米片，由于具有豐富的活性位點、快速的電子轉移路徑和通常的離子擴散通道，該材料展現了970 F g-1的高容量、優越的倍率性能和良好的導電性，并且在非對稱超級電容器器件中也表現出了良好的實際應用前景。同時本文也為核殼結構的合成思路提供了一個新的參考。

文獻鏈接

Hierarchical core–shell structural NiMoO4@NiS2/MoS2?nanowires fabricated via an in situ sulfurization method for high performance asymmetric supercapacitors

本文由吉林大學韓煒教授課題組供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.

分享到