蘇州納米所李清文、張其沖等合作ACS Nano: 二硫化鉬/氮化鈦異質(zhì)結(jié)陣列構(gòu)筑高性能纖維狀銨根離子贗電容負(fù)極
銨根離子作為非金屬離子,具有安全性高、摩爾質(zhì)量低、水合離子半徑小、離子電導(dǎo)率高、資源豐富等特點(diǎn),在可穿戴水系超級(jí)電容器中表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。高能量密度柔性銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器的應(yīng)用前景廣闊,但由于缺乏高容量的贗電容負(fù)極相關(guān)研究,發(fā)展高能量密度的銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器仍具有挑戰(zhàn)性。近日,中科院納米所李清文和張其沖等提出將MoS2@TiN異質(zhì)結(jié)陣列直接生長(zhǎng)在碳納米管纖維上(MoS2@TiN/CNTF),由于該異質(zhì)結(jié)陣列具有豐富的活性位點(diǎn)以及顯著的多組分協(xié)同效應(yīng),成功制備出高性能纖維狀銨根離子贗電容負(fù)極。
如圖1所示,通過水熱和高溫氮化方法在碳納米管纖維表面合成具有核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的MoS2@TiN納米陣列(圖1a-d), 其中,具有贗電容特性的MoS2納米片均勻致密的錨定在高導(dǎo)電性TiN納米線陣列表面。DFT模擬計(jì)算態(tài)密度(DOS)表明,由于這種獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用,MoS2和TiN的導(dǎo)電性得到了明顯提升。
圖1. MoS2@TiN/CNTF合成及DOS圖
其次,對(duì)銨根離子的存儲(chǔ)行為進(jìn)行了電化學(xué)研究(圖2)。相對(duì)于單一結(jié)構(gòu)和組分的TiN/CNTF、MoS2/CNTF電極材料,MoS2@TiN/CNTF展現(xiàn)出優(yōu)異的贗電容特性和高的容量(1044.3 mF cm-2, 4 mA cm-2),這歸功于MoS2@TiN復(fù)合材料其本身的三維分級(jí)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)。另外,理論計(jì)算證明,高導(dǎo)電性TiN不僅改善了MoS2對(duì)NH4+的結(jié)合能力,而且由于NH4+的存在導(dǎo)致了MoS2@TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的電荷重新分布而形成內(nèi)建電場(chǎng),進(jìn)一步提高了與NH4+結(jié)合強(qiáng)度。
圖2. 電極材料電化學(xué)性能測(cè)試及對(duì)NH4+吸附導(dǎo)致電荷重排模擬圖
最后,組裝基于MoS2@TiN/CNTF的準(zhǔn)固態(tài)纖維狀銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器(FAASC),表現(xiàn)出良好的機(jī)械柔性、電化學(xué)可逆性和典型的贗電容特性。在2 mA cm-2電流密度條件下,其比電容和能量密度分別達(dá)到了351.2 mF cm-2,195.1 μWh cm-2和2.0 V高的電勢(shì)窗口。
圖3. FAASC器件電化學(xué)性能測(cè)試
這項(xiàng)工作揭示了自支撐的MoS2@TiN核殼異質(zhì)結(jié)陣列作為柔性FAASC器件負(fù)極材料的合理設(shè)計(jì),展現(xiàn)出良好的機(jī)械柔韌性、高的比容量和寬的電勢(shì)窗口,極大地促進(jìn)了高能密度可穿戴銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器的進(jìn)一步發(fā)展。相關(guān)工作以Arrayed Heterostructures of MoS2 Nanosheets Anchored TiN Nanowires as Efficient Pseudocapacitive Anodes for Fiber-Shaped Ammonium-Ion Asymmetric Supercapacitors為題發(fā)表在ACS Nano上。南京航空航天大學(xué)碩士韓力杰和中科院蘇州納米所博士后羅杰博士為論文的第一作者,蘇州納米所的李清文研究員、張其沖項(xiàng)目研究員和南京航空航天大學(xué)張校剛教授為本文的通訊作者,該工作得到中科院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃和江蘇省自然科學(xué)基金等資助。
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