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ACS Nano|“混合维度”结构实现高密度储能

ACS Nano|“混合维度”结构实现高密度储能

由于二维(Two-dimensional)过渡金属二硫化物(Transition-metaldichalcogenides)具有内分层结构和大的比表面积,所以其作为超级电容器能源器件的电容材料具有良好的发展前景。近期,分层堆积的二维过渡金属二硫化物(2DTMDs)和其他功能性纳米材料被应用到电化学方向;但是,由于在材料表面无目地自组装的结构不完整,导致循环稳定性差和比容量降低。

近期,美国佛罗里达中央大学的Nitin Choudhary等人合成出一种WO3/WS2核壳一体化纳米材料(WO3为核WS2为壳,并将其应用在超级电容器上,表现出卓越的电化学性能,该成果发表在ACS Nano(IF= 13.334,2016)。该高性能核壳一体化纳米材料由生长在金属基底上面的一维(1D)纳米线阵列二维(2D)过渡金属二硫化物(TMDs)层无缝结合而成,其核、壳和集流体由金属箔通过连续的氧化/硫化自发地转变。稳定的结构使其表现出超乎寻常的充放电比容量保持率,优异的性能对于非传统的能量储存技术具有很大的潜力。


ACS Nano|“混合维度”结构实现高密度储能

图1.材料表征


ACS Nano|“混合维度”结构实现高密度储能

图2.材料电化学性能


当这种材料应用到混合型电容器时,继承了1D/2D材料的所有优势,表现出优异的电容性能。在扫速为5mV/s时容量为47.5mF/cm2,即使在10mV/s时容量还可达到33mF/cm2。作者也对其循环稳定性进行了研究,在100mV/s的扫速下进行高达30000次的充放电循环。有意思的是从开始到第2500次其比容量逐渐上升随后保持稳定。作者也对此给出了解释,首次循环的电化学活性物质主要是二维二硫化钨(WS2)壳,随着充放电循环的进行更多的活性物质参与进来,直到第2500个循环二维二硫化钨(WS2)壳完全被电解液沁润。

作者也对该优异的电化学性能做出解释(1)高密度垂直排列的纳米线提供给电解液离子高的比表面积以便于其吸附/嵌入。(2)纳米线核具有高的电导率,高度单晶的三氧化钨(WO3)高效的运输转移。(3)纳米线壳是由二维二硫化钨(WS2)组成,二维二硫化钨(WS2)在层与层之间具有亚纳米物理带(范德华间距)方便电解液中的离子吸附。(4)由于是化学自组装形成的核/壳界面以及纳米线/集流体界面,所以在这两个界面上不存在任何粘接和任何物质吸附。(5)所有的组成部分,核、壳和集流体都是由一种物质转变得到的,且使它们形成一体化结构。

本文最值得深思的是这种新型结构材料在电化学方面的应用前景,既然这种材料存在电导率高、高的比表面积和结构间没有杂质离子吸附等优点,值得我们在储能材料方面的进一步研究,也给其它储能材料的合成提供了新的借鉴。



制备方法:

第一步:在100μm的钨箔上制备垂直均匀的六边形三氧化钨(WO3)阵列

  1. 用丙酮、盐酸、乙醇和水连续在超声波清洗钨箔

  2. 在10%的氢氧化钠溶液倾倒在钨箔表面,随后在2000转的条件下转动

  3. 钨箔放入热炉中从室温以12℃/min的速率升温至650℃,并保持2h,自然冷却至室温

  4. 模板从热炉中移出,用去离子水洗涤,在室温下干燥。

第二步:三氧化钨(WO3)/二维二硫化钨(WS2)核/壳纳米线的制备

  1. 六边形三氧化钨(WO3)阵列模板放入自制化学气相沉积装备体系中,瓷舟中放入99.99%的硫,瓷舟放入石英管中蒸汽上升的位置。

  2. 在氩气保护下升温,升温速率控制在20℃/min,升温至850℃保持40min,随后冷却至室温。

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图3.材料合成路径


Nitin Choudhary, Chao Li, Hee-Suk Chung,Julian Moore, Jayan Thomas, Yeonwoong Jung,High-Performance One-Body Core/Shell Nanowire Supercapacitor Enabled by Conformal Growth of Capacitive 2D WS2 Layers,ACS Nano, 2016,DOI: 10.1021/acsnano.6b06111

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