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图1. 700℃硫化的MoS2纳米带的透射电镜图,元素分布图。
MoS2纳米带宽度约200-300nm,厚度约100nm(AFM),长度为几十至几百微米。图b,c显示,大量的MoS2晶畴的(002)晶面侧边暴露于MoS2纳米带的宽表面,而(002)晶面则隐藏于纳米带内。这种晶体排列方向不仅是有利于锂、钠离子插层的结构,而且暴露出高密度的硫化钼的电化学活性位点。
图2. 不同样品的钠离子储存的电化学性能测试。
通过比较不同温度下(300,500,700,1000 ℃)转化的MoS2纳米带及非定向排列的M-MoS2纳米片的电化学性能,得出以下结论:1) MoS2纳米带的综合性能优于非定向排列的M-MoS2纳米片;2) 转化温度升高可获得更好的综合性能,例如700 ℃硫化的MoS2纳米带拥有最高的比容量及循环稳定性(100次循环后容量>500mAh/g),更好的倍率性能,更低的电荷转移电阻;3) 相比于其他报道的MoS2和MoS2/碳复合材料,MoS2纳米带具有更好的倍率性能;4) 以上结论同时适用于锂离子储存性能。
图3. 钠离子电池阳极的CV测试及其赝电容效应-扩散效应贡献的分析,以及温度变化的-容量比较测试。
随后,作者通过不同扫速下的CV测试来进一步研究其储能机理。研究发现在不同扫速条件下,对于位于1.4V的离子插层和位于0.7 V的电化学转化反应,赝电容效应对于MoS2纳米带结构的钠离子储存效应贡献皆大于扩散效应。比如,整体反应中,赝电容效应的容量贡献都大于80%,甚至在1mV/s的扫速测试中达到了94%。这种赝电容效应主导的离子储存机制解释了MoS2纳米带为什么能表现出优异的锂、钠存储性能,例如材料的结构稳定性(循环10次后的TEM分析显示其晶体结构得以部分保存)、高倍率性能(优于其他结构的高倍率容量)、低温下的较高容量(-20 ℃到60 ℃)等。这种特殊的晶体结构设计提供了兼具高能量密度、高功率密度的锂、钠离子能量储存器件的新方法。
氧化钼纳米带通过双氧水氧化钼粉并经水热法合成。氧化钼纳米带薄膜原位硫化作用在管式炉中进行,加热硫粉并在通氢气(10 sccm)下保持温度为300-1000℃小时。
Zhenyu Zhang, Shuilin wu, Junye Cheng, Wenjun Zhang, MoS2 nanobelts with (002) plane edges-enriched flat surfaces for high-rate sodium and lithium storage, Energy Storage Materials, 2018, DOI:10.1016/j.ensm.2018.03.013
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