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石墨烯纳米带与MoS2再次完美缔合

石墨烯纳米带与MoS2再次完美缔合

在电化学储能领域,MoS2材料具有易合成和高容量的特点,但低导电性以及离子脱嵌造成的较大体积膨胀问题,削弱了其倍率性能。截止目前,已经发展了许多方法以解决上述问题。近日,大连理工大学的Liu等人利用石墨烯纳米带(GNRs)边缘效应首次合成了高储钠和储锂性能的层间扩孔3D MoS2/GNRA,其成果发表于国际顶级碳材料期刊Carbon(IF=6.198,2016年)上。

石墨烯纳米带与MoS2再次完美缔合
图1. 锂离子电池电化学性能测试

作者以石墨烯纳米带(NH4)2MoS4 作为前驱体,采用热退火策略进行材料合成。测试表明,材料的电化学性能极其优异:作为锂离子电池负极材料时,在30A/g电流密度下容量可达303mAh/g;以10A/g 循环1800次后仍能稳定维持作为钠离子电池负极材料时,在0.5-15A/g 的电流密度下比容量达372-203 mAh/g,同时以5A/g 循环1500 次后容量依然能够保持在158mAh/g

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图2. 钠离子电池电化学性能测试

此外,作者对于材料表现出的优异倍率和循环性能做出了解释:

  • 生长于GNRs 边缘的MoS2 具有较大的晶面距,可以提供更多的锂和钠存储位点,有利于提高初始容量,降低Li+和Na+迁移障碍,改善倍率性能。

  • 在循环过程中产生了S和多硫化物,与此同时GNRs 充当导电网络并作为S与多硫化物的吸附剂,从而有助于容量的提升并改善循环稳定性。

  • 纳米级MoS2 纳米片分散于GNRA 表面,能够缓冲部分脱嵌期间颗粒体积膨胀产生的应力

  • 较裸露的MoS2 而言,MoS2/GNRA 拥有更大的比表面积(43.5 vs 23.4m^2/g),同时3D多空孔构提供了大量的通道,从而有利于电解液和离子的迁移。

制备方法

  • GONRs的合成:将1.0g CNTs 加入到130ml 浓H2SO4 中超声0.5h,接着在室温下机械搅拌1h。然后将5.0g KMnO4缓慢加入到上述溶液中,分别在室温下反应1h,70°C反应2h。之后将上述溶液缓慢倒入包含10ml 30wt% 的H2O2 冰水浴中,最后离心水洗至少五次并重新分散于水中形成均相。

  • MoS2/GNRA的合成:将30mg (NH4)2MoS4 加入到5ml GONRs分散液中,并超声30min以形成均相,接着将上述溶液倒入玻璃小瓶中95°C加热2h以形成GNR水凝胶。随后冷冻干燥,并在Ar气保护下800°C 退火1h得到最终产物MoS2/GNRA。

  • MoS2/GA, GNRA, MoS2的合成:使用与MoS2/GNRA合成相似的方法,利用石墨烯气凝胶合成MoS2/GA;GNRA通过直接冻干并退火GONRs的冷冻液得到;MoS2则由(NH4)2MoS4在Ar气氛围中800°C热沉积1h得到。

石墨烯纳米带与MoS2再次完美缔合

图3. MoS2/GNRA的合成示意图

Yang Liu, Xuzhen Wang, etal, Interlayer expanded MoS2 enabled by edge effect of graphene nano-ribbons for high performance lithium and sodium ion batteries, Carbon (2016)

 

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