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高储锂性能层次性TiO2@NC@MoS2纳米管

石墨被广泛用作商业锂离子电池(LIB)中的负极材料,然而较低的理论容量(372 mAh/g)并不能满足对大规模高能/功率密度的需求。过渡金属氧化物和硫化物由于其高比容量、低成本、设计灵活性和其他吸引人的特性,成为极具希望的LIB电极材料。

MoS2,一种类石墨结构的二维材料, 由于其高比容量(669 mAh/g)而备受关注。然而,MoS2电极仍然面临巨大挑战,实际应用中诸如导电性差导致的循环性能下降,剧烈体积变化引起的容量的快速衰退。为了克服MoS2电极的固有缺点,已经提出了各种策略来提高其锂储存性能,一种有效的方法是将MoS2和其他活性材料整合成为一个混合纳米结构。这种混合结构不仅兼具各组分的优点,而且还会产生独特的协同效应,以增强其电化学性能,如电子/离子导电性,化学反应性和机械稳定性。

鉴于此,南洋理工大学楼雄文教授课题组设计并合成了一种分层纳米管状N掺杂碳的TiO2@NC@MoS2,这种独特的三明治中空纳米结构应用于LIBs具有多重优良特性。

高储锂性能层次性TiO2@NC@MoS2纳米管

图1.上述分层纳米管生长MoS2层后的FESEM图像(a-c), TiO2@NC@MoS2纳米管的TEM图像, MoS2纳米片的HRTEM图像(i).

高储锂性能层次性TiO2@NC@MoS2纳米管

图2. TiO2@NC@MoS2的电化学性能。(a) 在0.2A/g下循环前五圈的充放电曲线, (b)在不同电流密度下的倍率性能, (c)TiO2@NC@MoS2, NC@MoS2, MoS2和TiO2@NC在0.1A/g下的循环性能以及TiO2@NC@MoS2的库伦效率.

氮掺杂碳(NC)中间层的整体1D同轴纳米结构可以提供电子/离子通道,用于电荷储存和输送。此外,由纳米级亚基构成的分层管状结构将有效解决与电化学反应相关的体积应力

电化学测试表明,这种材料表现出优异的电化学性能,在0.1A/g下输出容量可达900mAh/g,并且在循环200次后依然具有优异的稳定性和卓越的倍率性能。

         材料制备:

选择高纵横比的MnO2纳米线作为模板,首先在MnO2表面涂覆一层TiO2已形成核-壳结构的MnO2@TiO2纳米线,然后用多巴胺(PDA)沉积在MnO2@TiO2表面以形成同轴的MnO2@TiO2@PDA纳米线。之后将所得的复合纳米线在N2气氛中煅,以烧将PDA层转化为TiO2/NC纳米管的NC,紧接着用酸处理以去除MnO2模板。最后,通过水热和随后的退火工艺在上述复合纳米线表面生长一层超薄的MoS2纳米片。

参考文献:

Sibo Wang, Bu Yuan Guan, Le Yu, and Xiong Wen (David) Lou, Rational Design of Three-Layered TiO2@Carbon@MoS2 Hierarchical Nanotubes for Enhanced Lithium Storage, Adv. Mater. 2017, 1702724, DOI: 10.1002/adma. 201702724.

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