Adv. Mater. 復旦趙東元教授研發具有清晰界面的二維介孔碳/MoS2異質結構用于高性能鋰電池

背逆時光 7年前 (2016-09-17) 8998瀏覽

【引言】

富有魅力的二維材料具有新奇且有用的屬性，這使它們成為大量研究的焦點。為了探索這些層狀材料的潛力以及它們的化學組成和電子性質的精確的空間調制就需要創造出清晰的異質結構。層狀二維材料（例如：統一的雙層石墨烯、橫向或外部增長過渡金屬硫化物（TMDS））中的清晰界面總是為其帶來前所未有的獨特性質。然而，要實現多層超薄TMDS和石墨烯材料之間精確匹配且界面清晰是很難做到的。同時，發展簡易靈活的復合二維薄膜工程策略具有巨大的研究價值。二維納米材料能夠克服塊狀晶體的結構不穩定的缺點，可作為優良的鋰離子電池（LIBS）負極材料。然而，這種結構仍存在一些問題。TMDs的電導率太低阻礙了其作為合適的電極。此外，一些如形態、結構和界面等因素需要得到很好的處理，否則它們將發生團聚和納米片重新堆疊的問題，導致循環壽命的縮短和儲鋰能力的降低。最近的研究工作表明，利用碳質材料（碳納米管、石墨烯、碳泡沫）和TMD之間的協同作用，復合式TMD/碳電極能表現出良好的電化學性能。另一方面，具有長程有序結構的介孔碳具有許多理想的性能，包括優異的導電性、高表面積的，孔徑可調的多孔性，是已被公認的用于能量儲存和轉換的理想候選材料。特別是前所未有的二維層狀介孔碳/石墨烯已被證明是一種優良的負極材料。但是具有TMD框架的二維介孔碳/石墨材料的構建仍處于起步階段。此外，處理好碳和TMD材料之間的界面問題仍然是一個巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，復旦大學的趙東元教授課題組在Advanced Materials上發文，題為“Synthesis of 2D-Mesoporous-Carbon/MoS2 Heterostructures with Well-Defined Interfaces for High-Performance Lithium-Ion Batteries”。 該課題組合成了具有清晰界面的二維介孔碳/ MoS2異質結構。

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該小組研究人員運用了兩步合成法制備了一種具有清晰界面的垂直型堆疊的超薄二維單層有序介孔碳/二維MoS2層狀異質材料。所制備的二維介孔碳層約1 nm（三個碳原子的厚度），也可以定義為一種介孔碳納米片（MCN）。這是首次制備成功具有原子級別整齊且界面清晰的超薄有序介孔碳納米片/ MoS2異質結構。這種厚度僅為幾納米的二維多層材料形成三明治式的三層結構。這三層材料分別為：有序介孔碳層/ MoS2 層/有序介孔碳層，每層厚度約1 nm。這種逐層有序介孔碳納米片/ MoS2異質結構具有超高的可逆容量（電流密度為100 mA g?1時，容量超過1400 mA h g?1?，在之后的循環中容量穩定在1140 mA h g?1。即使在10 A g?1的超高電流密度下，可逆容量可達400 mA h g?1并保持良好的循環穩定性。

【圖文導讀】

示意圖：具有原子級別整齊且界面清晰的有序介孔碳/ MoS2納米片異質結構形成過程

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自組裝單層單微團的形成過程，這起始于活性位點“島”（MoS2的缺陷，在途中標記為紅色）。單微團的自組裝嚴格沿平面進行，從而形成精確匹配且清晰的界面。這些單微團陣列聚合形成介孔聚合物超薄層，然后碳化形成有序介孔碳/ MoS2納米片。

圖1: 有序介孔碳/ MoS2異質納米片的SEM圖、AFM形貌圖

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逐層自組裝有序介孔碳/ MoS2異質納米片的（a）SEM圖、（b-d）高分辨率SEM圖和（e，f）AFM圖像。白色箭頭指示具有有序介孔超薄納米片。（e，f）AFM形貌圖（e）和相位圖（f）顯示有序介孔結構在材料的表面。

圖2：拉曼光譜及高度信息

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（a，b）純MoS2和有序介孔碳/MoS2層異質納米片的AFM圖像和相應的高度信息。

（c）純MoS2和有序介孔碳/MoS2層異質納米片的的拉曼光譜。

圖3：介孔碳/ MoS2納米片的TEM圖像

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（a–f）有序介孔碳/ MoS2納米片的低倍率透射電鏡TEM圖像(a，b)；介孔在橫截面上和異質納米片的平面上的分布TEM圖像（c，d）；

（e）介孔碳/ MoS2異質納米片結構的高分辨率TEM圖像，顯示了碳孔壁（標有箭頭）；

（f）介孔碳/ MoS2異質納米片的橫截面的高分辨率TEM圖像。可以觀察到碳和MoS2原子層。

圖4：電化學性能表征

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（a，b）倍率性能曲線，（c，d）充放電曲線和（e）純MoS2納米片和介孔碳/ MoS2異質納米片的阻抗曲線。

【總結】

該課題組運用了兩步合成法首次制備了一種具有清晰界面的垂直型堆疊的超薄二維單層有序介孔碳/二維MoS2層狀異質材料。二維有序介孔碳/ MoS2納米異質結構具有豐富的有序介孔（約9 nm）能作為有效的離子運輸通道，從而使得材料具有超高的可逆容量（電流密度為100 mA g?1時，容量超過1400 mA h g?1?，在之后的循環中容量穩定在1140 mA h g?1。即使在10 A g?1的超高電流密度下，可逆容量可達400 mA h g?1并保持良好的循環穩定性（300次以上））。有序介孔碳/ MoS2異質結構具有超高的儲鋰能力和優良的循環倍率性能，這為合理設計具有出色的性能和穩定性的鋰離子電池負極材料開辟了一條新的路線。

文獻鏈接：Synthesis of 2D-Mesoporous-Carbon/MoS2 Heterostructures with Well-Defined Interfaces for?High-Performance Lithium-Ion Batteries?（Adv. Mater. ，2016，DOI: 10.1002/adma.201602210）

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