​今日Nat. Nanotechnol.再现电容器身影,高面电容,体积电容更是高出一个数量级!

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第一作者:Wenshu Chen
通讯作者:Jiajun Gu (顾佳俊), Qinglei Liu (刘庆雷), Di Zhang (张荻), Y. Morris Wang
通讯单位:上海交通大学,加州大学洛杉矶分校

【研究亮点】
1. 提出了一种剥离-碎裂-重新堆叠策略,用于制备由二维1T-MoS2量子片组成的厚度可调(1.5-24.0μm)致密电极膜。

2. 14 μm电极具有非常好的电化学性能,在2000 mV s−1 下测试不仅可以提供0.63 F cm−2的高面电容,还可以提供437 F cm−3的体积电容。

【主要内容】
当超级电容器需要满足快速响应和有限空间应用的需求时,高体积功率和能量密度是必不可少的。为了满足这些要求,实现能够在超高速率下提供高体积电容 (Cv) 的电极至关重要。此外,电极还应为实际应用提供工业上可接受的面积电容(Ca)。在超高倍率(≥1,000 mV s-1)下运行的电极在同时实现高Ca和高Cv方面始终具有严峻挑战,很难在不明显牺牲离子传输动力学的情况下提高电极中活性材料的质量负载和堆积密度。迄今为止,科研人员已在二维材料重新堆叠片的一些超薄致密电极中获得了 1,000 mV s-1下的高Cv值。这是由于它们有足够的晶面活性位点和短离子扩散距离,然而,其中活性材料的低质量负载将导致低Ca值。反之,精心设计的大离子传输通道有助于在具有高质量负载活性材料的厚电极中实现 1,000 mV s-1下的高Ca值,然而,它们松散的结构不可避免地导致低Cv值。

鉴于此,上海交通大学张荻教授等研究团队联合加州大学洛杉矶分校Morris Wang教授制备了质量密度与其体材料相当但具有超快离子传输能力的二维1T-MoS2量子片电极。在 2,000 mV s -1下测试的14 μm电极不仅可以提供 0.63 F cm-2的高面电容而且还有437 F cm-3的体积电容,比其他电极的体积电容高一个数量级。这些电极与之前报告的二维材料片相比,不仅使每单位面积的垂直离子传输纳米通道增加了十倍,而且水平面间离子扩散长度也缩短了十倍。研究人员同时发现这种致密的二维量子片薄膜是在各种水基电解质中超高倍率下的高性能超级电容器电极。它们的良好性能归因于狭窄但短的水合通道互连网络的独特电极结构,这是通过重新堆叠脱落的量子片薄膜实现的。由于重新堆叠方法可以通过控制水合度产生大范围的层间距,并且不再有众多主体材料的尺寸限制,因此该方法提供了一种通用工具来研究各种离子传输和存储机制。作者认为这种策略将同样适用于其他金属或半导体二维材料,从而获得更高重量电容的轻质材料。进一步的结构优化(例如量子片薄膜的大小和形状以及水合程度)可能有助于提高二维量子片薄膜在储能或过滤应用中的性能。
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Fig. 1 Schematic of the design and fabrication of 2D 1T-MoS2 QS films.

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Fig. 2 Characterizations of 2D 1T-MoS2 QS films.

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Fig. 3 Electrochemical performance of the hydrated 2D 1T-MoS2 QS electrodes in 0.5 M H2SO4 electrolyte.

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Fig. 4 | Comparison of the Cv and Ca of 1T-MoS2 QS electrodes with the benchmark electrodes at scan rates of 1,000 and 2,000 mV s−1 in aqueous electrolytes.

【文献信息】
Chen, W., Gu, J., Liu, Q. et al. Two-dimensional quantum-sheet films with sub-1.2 nm channels for ultrahigh-rate electrochemical capacitance. Nat. Nanotechnol. (2021). https://doi.org/10.1038/s41565-021-01020-0

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参考文献: