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高储锂性能核壳结构C@MoS2纳米管海绵的可控合成

高储锂性能核壳结构C@MoS2纳米管海绵的可控合成

2D层状异质材料因其独特的特性和潜在应用而广受关注,但是在早期的2D异质管状材料合成上,主要是在管状模板(例如:CNTs/碳纳米管)上生长得到,使得材料的特性发挥受到受制。近些年,围绕着MoS2合成的异质材料屡见不鲜。但截至目前,许多异质MoS2管状材料仍是基于粉状CNTs得到,因此在制成电极时仍需要加入导电剂和粘结剂。

高储锂性能核壳结构C@MoS2纳米管海绵的可控合成

鉴于此,Wang等人近日在3D多孔模板(块状CNT海绵)上合成了一种核壳结构C@MoS2纳米管。当作为锂离子电池(LIBs)电极材料时,不仅可以省去粘结剂和导电剂,而且还获得了异常优异的循环稳定性,其可逆容量更是普通石墨的两倍多(740mAh/g)。这项研究工作的核心在于采用了块状CNT海绵作为3D多孔模板,将其浸泡于前驱体溶液中,然后在硫脲的协助下水热合成得到较大尺度的核壳无机纳米管。然后将其热退火处理,最终获得了晶型一致性较好的C@MoS2海绵。

高储锂性能核壳结构C@MoS2纳米管海绵的可控合成

与此同时,研究人员也解释了C@MoS2海绵的高容量和高稳定性机制。首先,核壳结构维持了较平滑的表面(可减小极化,减少界面副反应的发生。);其次MoS2壳由随机取向且紧密堆积的纳米尺度畴(close-packed nanoscale domains)组成。在循环过程中其结构由连续的晶壳向随机排列的微晶转变,从而暴露出更多新的锂嵌入活性位点, 并且微晶之间有较大的晶格间距(0.76nm),从而提高其容量和循环稳定性。

该篇文章主要报道了一种2D异质层状材料的合成新思路。研究表明结构和性能之间必然存在着积极或者消极的联系,这对高性能材料的合成和结构设计有很好的借鉴意义。

 

制备方法:

第一步,以二茂铁和1,2-二氯苯作为催化剂和碳前驱体,使用化学气相沉积(CVD)合成CNT海绵。

第二步,将1g 四水钼酸铵((NH4)6 Mo7O24·4H2O)分散于10ml去离子水中,室温下磁力搅拌形成前驱体溶液。之后将10mg CNT海绵浸泡于上述溶液30min,并加入少许乙醇以改善海绵的润湿性,然后将CNT海绵在70℃下干燥1h。

第三步,将上述CNT海绵在200℃的硫脲溶液中浸泡30min,之后转移到水热反应釜中120℃反应12h。然后分别使用乙醇,CS2和去离子水彻底洗涤,最后进行冷冻干燥,得到无定型的CNT@MoS2海绵。

第四步,在Ar气保护下,于管式炉中800℃退火6h,得到单晶C@MoS2纳米管。

高储锂性能核壳结构C@MoS2纳米管海绵的可控合成

Wang Y, Ma Z, Chen Y, et al. Controlled Synthesis of Core–Shell Carbon@MoS2 Nanotube Sponges as High-Performance Battery Electrodes. Advanced Materials, 2016. DOI: 10.1002/adma.201603812

 

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