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“全才型”高活性MoS2纤维电极诞生

“全才型”高活性MoS2纤维电极诞生

截至目前,在能源收集和存储领域很难找到具有高电化学活性和稳定性的纤维状电极,导致纤维状能源器件的性能一直低于平面型能源器件。虽然纤维状碳材料自身有诸多优点,曾一度被认为有望应用于纤维状能源收集和存储器件的电极材料;然而受限于自身电化学活性,阻碍了其在纤维状能源器件上的实际应用。

鉴于此,南京大学的金钟教授和美国杜克大学刘杰教授一起合作将市售的高导电性和柔韧性CFs(碳纤维/Carbon fibers)用TiCl4水溶液处理,随后在NaMoO4C2H5NS溶液中水热反应,设计出一种基于MoS2能够应用于各类能源收集和存储的通用型纤维电极CF@TiO2@MoS2。该结果发表者能源领域顶级期刊Advanced Energy Materials (15.23; 2016年)研究表明,将这种电极用在染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells; DSSCs )、纤维状超级电容器、锂离子电池以及电催化析氢反应 (Electrocatalytic hydrogen evolution reactions; HER)均表现出优良的性能。

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图1.CF@TiO2@MoS2用于DSSCs

CF@TiO2@MoS2构筑DSSCs取代传统的Pt基对电极,在弯曲500次后仍能维持8.7%的转化效率(≈92%效率保持率);循环伏安测试结果表明,CF@TiO2@MoS2电极拥有高电催化活性、稳定性以及峰值电流密度;同时高FF(填充因子/Fill factor)使其拥有高达9.5%的光电转化效率。

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图2. CF@TiO2@MoS2用于超级电容器

CF@TiO2@MoS2应用于纤维状超级电容器时,在充放电过程中不仅具有较宽的充放电电流窗口,同时表现出优异的倍率和循环性能,在循环300圈后容量保持率为81%;电化学阻抗(Electrochemical impedance spectroscopic; EIS)测试表现出较宽的电位窗口(2.4V),故可将其视作理想的双电层电容。

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图3. 高效能量收集和存储的电量自给型能源纤维CF@TiO2@MoS2的工作原理

此外,研究人员将能源收集(纤维状DSSCs)和能源存储(线状超级电容器)相结合得到能量自给型能源纤维,从而论证了CF@TiO2@MoS2电极能够同时用于光电转换和电化学能源存储。

CF@TiO2@MoS2电极应用于锂离子电池后,初始工作电压高达3.271V,在0.01V-3.0V之间以3.0 mA/m充放电,首次充放电容量分别为40.1mAh/m、71.3mAh/m,库伦效率达81.2%;循环20次后较第二次循充放电容量保持率分别为81.0%、76.1%,库伦效率达到了86.2%。

CF@TiO2@MoS2电极应用于HER,则表现出较低的塔菲尔斜率(Tafel slopes),因此在相同的过电位下能够激励最大的催化电流。同时500次CV扫描后的极化曲线论证了CF@TiO2@MoS2电极在酸性溶液中拥有杰出的稳定性。

除此之外作者解释了这种电极性能优异的原因,首先MoS2作为活性材料具有以下优点:

(1)MoS2膜的2D结构具有较大的比表面积;

(2)由于其表面及边缘处有许多硫活性位点,MoS2纳米膜表现出较高的催化活性;

(3)MoS2高的存储容量。

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图4.CF@TiO2@MoS2的形貌及元素表征

另外,由于这种线状同轴电极是由超薄MoS2纳米膜包覆在碳纤维表面的TiO2颗粒上形成,在MoS2高电化学活性和CFs高电导率的协同作用下,使得基于这些特性的纤维状CF@TiO2@MoS2电极在各类能源转化与存储(DSSCs、超级电容、LIBs、HER)上均表现出优良的性能。

 

Jia Liang, Guoyin Zhu, Caixing Wang, Yanrong Wang, HongfeiZhu, Yi Hu, Hongling Lv,Renpeng Chen, Lianbo Ma, Tao Chen, Zhong Jin, Jie Liu, MoS2‐Based All‐PurposeFibrous Electrode and Self‐Powering Energy Fiber for Efficient Energy Harvesting and Storage. Advanced Energy Materials (2016). DOI: 10.1002/aenm.201601208

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