一锅法合成 MoS2纳米片包裹二维沸石咪唑酯骨架衍生硫化钴纳米片阵列用于高性能不对称超级电容器

研究人员为解决过渡金属硫化物（TMSs）作为超级电容器（SCs）电极材料存在的不足，开展了构建 Co3S4@MoS2纳米片阵列的研究。结果制得的材料展现出优异性能，所组装的 ASC 性能良好。该研究为储能和转换设备电极材料制备提供新思路。

　　

在当今时代，全球能源消耗与日俱增，环境危机也愈发严峻。人们急切地寻找绿色环保的能源以及高效的储能设备，超级电容器（SCs）作为一种新型电化学储能技术，凭借着充电放电速度快、功率密度高、循环寿命长以及成本低等优势，在下一代可再生能源电力设备领域有着广泛的应用前景。然而，相较于可充电电池，超级电容器的能量密度较低，这一短板严重限制了它的实际应用。

过渡金属硫化物（TMSs）由于具有丰富的氧化态，能够在电荷转移过程中发挥重要作用，因此被视作超级电容器中理想的法拉第电极材料。其中，钴硫化物凭借高容量、多种晶相以及低成本等特点，受到了科研人员的重点关注。但钴硫化物存在着诸多问题，比如电化学动力学迟缓，这使得电活性位点无法充分利用；其导电性较差，在大电流密度下以及长期运行时，还会出现容量衰减的现象，并且在充放电过程中会发生体积膨胀，这些问题极大地阻碍了单一钴硫化物在超级电容器中的应用。

为了攻克这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们采用了一种简便的两步变温硫化法，以金属 - 有机框架（MOF）为模板，成功制备出了具有分级结构的 Co₃S₄@MoS₂纳米片阵列，并将其作为不对称超级电容器（ASC）的自支撑电极。通过一系列控制实验，研究人员深入探究了这种分级异质结构的形成机制，发现低温下 Co₃S₄的预形成对最终结构起着关键作用。与传统的多步溶剂热合成核壳结构的方法相比，该一锅法合成工艺更为简单，并且能够确保 MoS₂纳米片均匀地修饰在 Co₃S₄的表面。实验结果令人惊喜，所制备的 Co₃S₄@MoS₂展现出了卓越的电化学性能，在 0.5 A g^-1的电流密度下，比电容高达 1217.5 F g^-1，而且倍率性能也十分出色，当电流密度增大 20 倍时，电容保持率仍能达到 69.8% 。更重要的是，由 Co₃S₄@MoS₂和活性炭（AC）组装而成的不对称超级电容器，在功率密度为 900 W kg^-1时，能够实现 55.4 W h kg^-1的高能量密度，同时还具备良好的循环寿命，经过 10000 次循环后，电容保持率仍有 87.8% 。这一研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为构建用于下一代储能和转换设备的先进过渡金属硫化物基异质结构电极材料开辟了新的路径，对推动能源领域的发展具有重要意义。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是通过 X 射线衍射（XRD）对材料的晶体结构进行分析，以此来确定材料的物相组成；其次利用扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观形貌进行观察，直观地了解材料的表面形态和结构特征。

结果与讨论

研究人员首先通过在室温下使 Co 离子与 2 - 甲基咪唑（2 - MIM）发生配位反应，在泡沫镍（NF）上成功制备出了均匀的 ZIF - L 纳米片阵列。通过 XRD 分析发现，ZIF - L 的主要衍射峰与模拟的 ZIF - L 衍射峰高度匹配，这表明成功合成了目标材料。SEM 图像显示，所制备的 ZIF - L 纳米片尺寸均匀。之后，研究人员采用两步变温硫化法对 ZIF - L 纳米片阵列进行处理，成功得到了 Co₃S₄@MoS₂核壳纳米片阵列。通过对不同反应条件下制备的样品进行对比分析，研究人员揭示了低温下 Co₃S₄的预形成对最终形成的分级异质结构的重要性。在电化学性能测试方面，Co₃S₄@MoS₂展现出了优于单一 Co₃S₄或 MoS₂的电荷存储能力，这得益于其独特的组成和结构优势。

结论

研究人员提出的两步变温硫化法为制备基于 MOF 模板的 Co₃S₄@MoS₂纳米片阵列提供了一种有效的途径。该研究明确了低温下 Co₃S₄的预形成是决定最终结构的关键因素。所制备的电极材料展现出了卓越的电化学性能，包括高比电容和出色的倍率性能。此外，由该材料组装的 Co₃S₄@MoS₂//AC 不对称超级电容器具有高能量密度和良好的电化学稳定性。这一研究成果为设计用于能源相关应用的分级异质结构提供了新的策略，有望在未来的能源存储和转换领域发挥重要作用，推动相关技术的进一步发展和创新。