1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

金属相二硫化钼在高性能能量存储和转化领域的研究

【前沿部分

金属相二硫化钼是一类具有高导电性和催化活性的二维材料。它的导电性是半导体相二硫化钼的105倍,同时它独特的钼硫原子排列特征使得其催化活性位点也远多于半导体相。然而,金属相二硫化钼相态不稳定,在激光光照及高温等条件下容易转化为半导体相,同时,传统地通过插丁基锂的制备方法存在易燃问题,极大的限制了其电化学应用,也使得相关的研究报道非常有限。近年来,有关金属相二硫化钼在储能领域的研究逐渐开始增多。最近,美国东北大学的Hongli Zhu教授课题组撰写了一篇综述,首次从原子结构,能带,光电性能,制备方法及电化学应用等方面对金属相二硫化钼进行了详细的报道。该文章发表在国际知名期刊Small上。     

金属相二硫化钼在高性能能量存储和转化领域的研究

图1 金属相二硫化钼的结构表征及应用概括图

 

【核心内容

 二硫化钼作为经典的层状过渡金属硫化物,由于其突出的物理、化学、电学及光学性能被广泛关注,并被应用于包括储能在内的各个领域,表现出了优异的性能。二硫化钼主要分为两类,一类是相态稳定但导电性差的半导体相二硫化钼,一类是导电性能好但相态不稳定的金属相二硫化钼。本文主要从原子结构,物理化学性能,制备方法和结构表征,能量储存和转化方面对金属相二硫化钼进行概述总结(图1)。本文总结了最近发表的大部分有关金属相二硫化钼的报道并着重分析了如何通过原子结构,能带,光电性能,拉曼光谱,X射线衍射,X射线光电子能谱以及同步幅射光谱等区分金属相二硫化钼及半导体相二硫化钼。并且,文章还强调了良好的导电性对于金属相二硫化钼在高性能锂离子电池、钠离子电池、超级电容器以及氢还原等领域应用的价值。

金属相二硫化钼在高性能能量存储和转化领域的研究

图2半导体相和金属相二硫化钼原子结构和高分辨透射电镜图对比

 

半导体相二硫化钼为三棱锥结构,钼原子层被夹在两层硫原子中间。而金属相二硫化钼为正八面体结构,钼原子为正八面体配位排布。从高分辨透射电镜图来看,半导体相二硫化钼晶格结构为蜂巢状,并且相邻原子间衬度相差大。与之相对,金属相二硫化钼的晶格结构为经典的六方排布。

金属相二硫化钼在高性能能量存储和转化领域的研究

图3半导体相和金属相(1T, 1T’) 2D 视图和能带图对比

 

不同相态的二硫化钼原子排列不同。而对于金属相二硫化钼来说,相比较于原子规整排列的1T相,1T’相的钼原子呈现扭曲排列。半导体相二硫化钼的间接能带为1.9 eV, 而金属相二硫化钼的能带接近为0 eV。

金属相二硫化钼在高性能能量存储和转化领域的研究

图4相态稳定的中空金属相二硫化钼纳米管

 

空心的金属相二硫化钼应用在锂离子电池上性能优异。由于其突出的本征导电性,金属相二硫化钼结构传导电子离子的能力优越,使其在电池应用中倍率性能非常优异。同时,特定的管状结构可以有效的避免二维纳米片的堆叠,从而提高了金属相的稳定性。避免二维纳米片堆叠的方法也是研究中提高金属相稳定性的一个通用的行之有效的方法。

金属相二硫化钼在高性能能量存储和转化领域的研究

图5相态稳定的三维金属相二硫化钼/石墨烯复合骨架

 

 金属相二硫化钼在钠离子电池应用时也可以表现出优异的性能。研究人员将金属相二硫化钼长在空心的石墨烯管上以防止其堆叠从而提高其稳定性,并将金属相二硫化钼应用于钠离子电池,也可以表现出优秀的倍率性能。

金属相二硫化钼在高性能能量存储和转化领域的研究

 图6亲水性金属相二硫化钼应用于超级电容器

 

 层间距插单层水分子的亲水性金属相二硫化钼是另一种相态稳定的金属相二硫化钼。由于水分子的层间插入,所得亲水性的金属相二硫化钼可以稳定相态的保存在水溶液中几个月。同样归因于其优异的导电性,在电容器应用时金属相二硫化钼可以表现出非常优秀的倍率性能。而且由于其优异的结构性能及导电性,电极材料制备过程中无需加入任何导电助剂,提高了材料的有效能量密度。

 

Yucong Jiao, Ahmed M. Hafez, Daxian Cao, Alolika Mukhopadhyay, Yi Ma, and Hongli Zhu*, Metallic MoS2 for High Performance Energy Storage and Energy Conversion; Small, 2018,  DOI:10.1002/smll.201800640

 

团队近期工作介绍

1.M., H. A.; Yucong, J.;  Jianjian, S.;  Yi, M.; Daxian, C.;  Yuanyue, L.; Hongli,Z., Stable Metal Anode enabled by Porous Lithium Foam with Superior IonAccessibility. Advanced Materials, 2018,1802156.

2. Jiao, Y.;  Mukhopadhyay, A.;  Ma, Y.; Yang, L.;  Hafez, A. M.; Zhu, H.,Ion Transport Nanotube Assembled with Vertically Aligned Metallic MoS2 for HighRate Lithium‐IonBatteries. Advanced Energy Materials, 2018, 1702779.

3.Geng, X.;  Jiao, Y.; Han, Y.;  Mukhopadhyay, A.;  Yang, L.; Zhu, H., Freestanding Metallic 1T-MoS2 with Dual Ion Diffusion Paths as High Rate Anode for Sodium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2017, 27 (40), 1702998-n/a.

4. Mukhopadhyay, A.;  Jiao, Y.; Katahira, R.;  Ciesielski, P.N.;  Himmel, M.; Zhu, H., Heavy Metal-Free Tannin from Bark for Sustainable Energy Storage. Nano Letters 2017, 17 (12), 7897-7907.

5.Yang, L.; Mukhopadhyay, A.; Jiao, Y.; Hamel, J.; Benamara, M.; Xing,Y.; Zhu, H., Aligned and stable metallic MoS2 on plasma-treated mass transfer channels for the hydrogen evolution reaction. Journal of Materials Chemistry A 2017, 5 (48),25359-25367.

6.Geng, X.;  Zhang, Y.; Han, Y.;  Li, J.;  Yang, L.; Benamara, M.;  Chen, L.; Zhu, H.,Two-Dimensional Water-Coupled Metallic MoS2 with Nanochannels for Ultrafast Supercapacitors. Nano Letters 2017, 17 (3), 1825-1832.

7. Zhu, H.;  Luo, W.; Ciesielski, P. N.;  Fang, Z.;  Zhu, J. Y.; Henriksson, G.;  Himmel, M. E.;Hu, L., Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Applications. Chemical Reviews 2016, 116 (16), 9305-9374.

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code