2D MoS2/MXene复合材料高储锂性能

二维过渡金属碳化物或碳氮化物,即MXenes,是由美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授和Michel W. Barsoum教授等人在2011年合作发现的一种新型二维结构材料。其化学通式可用Mn+1XnTz表示,其中M指过渡族金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc等),X指C或 N,n一般为1-3,Tz指表面基团(如O、OH、F、NH3、NH4等)。由于层状结构和高导电性能,MXenes被认为是最具潜力的锂离子电池负极材料之一。MXenes不仅具有低的锂离子扩散势垒和高的电导率,可以促进离子/电子运输,而且MXenes与金属氧化物等材料复合,可以缓解它们在充放电过程中体积膨胀的问题。

2015年Yury Gogotsi教授发现了一个有序的双过渡金属Mo2TiC2TMXene复合材料,Ti原子层夹在金属碳化物结构中的两层Mo之间,这种独特的三明治状结构赋予了Mo2TiC2Tx独特的性质,其表面Mo-O键可能在一定条件下转化为Mo-S键形成MoS2,类似于MoO2或MoO3向MoS2的转变。基于此,近日,Yury Gogotsi教授课题组与华中科技大学缪灵教授课题组合作,通过原位硫化的方法在Mo2TiC2Tx上面生成多层MoS2,得到MoS2/Mo2TiC2Tx复合材料,作为锂离子电池负极材料,表现出优秀的电化学性能。该工作已经发表在国际期刊Angew. Chem.Int. Ed.(IF:11.994)上。

2D MoS2/MXene复合材料高储锂性能

图1.(a) MoS2/MXene复合材料的合成示意图

2D MoS2/MXene复合材料高储锂性能

图2. MoS2/MXene异质结构的电化学性能(a)MoS2/Mo2TiC2Tx-500在1 mV /s时的CV曲线,(b)100mA/g下Mo2TiC2Tx,MoS2/Mo2TiC2Tx-500和MoS2/Mo2TiC2Tx-700的循环稳定性和库仑效率,(c)在100mA/g下MoS2/Mo2TiC2Tx-500的恒电流充电/放电曲线,(d)Mo2TiC2Tx,MoS2/Mo2TiC2Tx-500的倍率性能

通过液体混合的方法在MXene片上负载硫颗粒,得到S/Mo2TiC2Tx;接着,S/Mo2TiC2Tx分别在500℃和700℃下煅烧,最后得到MoS2/Mo2TiC2Tx-500和MoS2/Mo2TiC2Tx-700复合材料。

作为锂离子电池负极,MoS2/Mo2TiC2Tx-500复合材料表现出良好的储锂性能。在电流密度100mA/g下,MoS2/Mo2TiC2Tx-500电极初始充放电容量分别为554和646mAh/g,这远高于之前报道的多层Mo2TiC2Tx和纯MoS2的容量,库伦效率高达86%;循环100次后,比容量还维持在509 mAh/g,表现出优异的循环性能。在倍率性能的测试中,当电流密度上升至2000 mA/g和5000mA/g时,比容量分别为182和90mAh/ g,体现了良好的倍率性能。

2D MoS2/MXene复合材料高储锂性能

图3.(a)MoS2和(b)MoS2/Mo2TiC2Tx-500上Li的吸附位点。(c)MoS2和MoS2/Mo2TiC2Tx-500表面Li的结合能。(d)MoS2和(e)MoS2/MoS2/Mo2TiC2Tx-500上Li的电荷密度差异。(f)MoS2和(h)MoS2/Mo2TiC2Tx-500上Li2S的最稳定的吸附构型和结合能。(g)MoS2和(i)MoS2/Mo2TiC2Tx-500上Li2S的电荷密度差异。

通过第一性原理计算表明,二维MoS2-on-MXe异质结构强的Li吸附导致其嵌入增强,并且稳定的多硫化锂吸附有助于提高库仑效率和循环性能;因此,MoS2/Mo2TiC2Tx-500复合材料具有较高的比容量、库仑效率以及具有良好的倍率性能和循环稳定性。

    Chi Chen, Xiuqiang Xie, Babak Anasori, Asya Sarycheva,Taron Makaryan, Mengqiang Zhao, Patrick Urbankowski, Ling Miao, Jianjun Jiang, Yury Gogotsi, MoS2-on-MXene heterostructures as highlyreversible anode materials for lithium-ion batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, DOI:0.1002/anie.201710616.

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参考文献:Angew. Chem. Int. Ed