综述：用于高性能超级电容器的MoS2结构工程：从相结构、缺陷与掺杂到复合材料设计

《Progress in Natural Science: Materials International》：Structural engineering of MoS 2 for high-performance supercapacitors: From phase, defect, and doping to composite design

MoS?作为超级电容器电极材料的研究进展与优化策略，其层状结构及可调电学性质带来高理论容量，但导电性差、结构不稳定等缺陷制约应用。通过相工程调控晶体结构（如2H/1T相）、缺陷工程引入活性位点、元素掺杂优化电子传输及构建复合材料提升导电网络，实现双电层电容与伪电容协同增强。总结材料设计关键路径并探讨未来挑战。

　　

张伟超|刘浩|王凯|廖丽冰

中国地质大学材料科学与技术学院，矿物材料国家实验室，非金属矿物与固体废弃物材料利用北京市重点实验室，教育部地质碳储存与资源低碳利用工程研究中心，北京，100083，中华人民共和国

摘要

二硫化钼（MoS₂）由于其层状结构和可调的电学性能，在超级电容器电极材料方面具有巨大潜力，尽管其固有的导电性和循环稳定性仍有待提高。本文综述了MoS₂在超级电容器中的电荷存储机制和电极材料研究进展。分析了不同晶相（如2H、1T和1T'）对能量存储行为的影响，阐明了双层电容和伪电容的工作原理。随后，系统总结了通过相工程、缺陷工程、元素掺杂和复合结构构建来优化MoS₂电极性能的现状。最后，探讨了该领域的挑战和未来发展方向，为高性能MoS₂基储能设备的设计和应用提供了参考。

引言

全球工业化的加速发展日益凸显了能源需求增长与环境保护之间的矛盾。目前，世界能源供应仍然严重依赖化石燃料[[1], [2], [3]]。这种不可持续的消费模式不仅加速了资源枯竭，还产生了大量的温室气体排放，成为全球气候变化的主要驱动力。同时，由于能源系统内缺乏高效的存储和转换技术，大量电能被浪费[[4], [5], [6], [7]]。因此，开发可再生清洁能源以及高效、经济、耐用的储能技术已成为应对能源和环境压力的核心挑战，引起了学术界和工业界的广泛关注[[8], [9], [10], [11]]。

在各种储能技术中，电化学超级电容器因其独特的优势而占据重要地位。它们能够在几秒钟内实现快速充放电，具有远超传统电容器的功率密度，并且循环寿命可达数十万次。这些特性使它们成为高能量密度电池和高功率密度传统电容器之间的关键桥梁[[12], [13], [14]]。在需要瞬时高功率输出或快速能量捕获的场景中，如电动汽车的再生制动、智能电网的频率调节和便携式电子设备中，它们发挥着不可替代的作用。然而，它们的能量密度在很大程度上受到电极材料性能的限制。开发具有高比容量、优异倍率性能和长期稳定性的新型伪电容材料是推动该领域进步的核心挑战[[15], [16], [17]]。

在众多候选电极材料中，二硫化钼（MoS₂）——一种典型的二维（2D）过渡金属硫属化合物——因其固有的物理化学优点而脱颖而出[[18], [19], [20], [21]]。其固有的层状结构（层间距约0.62纳米）为电解质离子传输提供了天然通道；Mo的多价态（+4至+6）使其能够进行丰富的可逆氧化还原反应，从而具有较高的理论比容量[[22], [23], [24]]；其可调的晶相（例如金属1T相、半导体2H相）和表面性质为性能优化提供了广阔的空间[[25], [26], [27]]。然而，MoS₂的固有缺点严重限制了其实际应用：半导体2H相（热力学稳定）的导电性较低（约10^?5 S/cm），导致电子传输缓慢；层与层之间的强范德华力导致容易聚集，减少了活性位点的暴露；长期充放电循环中的结构塌陷导致循环稳定性差[24,[28], [29], [30]]。

为了解决这些限制，对MoS₂进行多尺度“结构工程”已成为主导的研究范式。这种策略结合了原子级别的调控（例如相变、缺陷引入）和微纳米尺度的结构设计（例如复合构建、形态优化）：原子级别的修改激活了MoS₂的惰性基面，提高了固有导电性，并增加了活性位点；微纳米尺度的复合结构（例如与碳材料、过渡金属化合物的结合）构建了导电网络，缓冲了体积变化，并促进了各组分之间的协同增强[[31], [32], [33], [34]]。本综述系统总结了基于MoS₂的超级电容器电极材料的最新进展，重点讨论了相工程、缺陷工程、元素掺杂和复合策略如何解决二硫化钼的固有局限性（图1展示了本综述的范围）。这项工作旨在为下一代高能量密度超级电容器电极的设计和开发提供见解和指导。

部分摘录

MoS₂的晶相和电荷存储的固有性质

MoS₂是一种典型的层状过渡金属硫属化合物（TMD）。其基本结构单元是一个单层S–Mo–S三层结构，厚度约为0.62纳米[35]。在层内，强共价键将结构固定在一起，而较弱的范德华力使层与层堆叠。这一特性使其易于剥离成二维纳米片。这种独特的层状结构是其应用于电化学储能的基础：范德华能隙提供了可调的

MoS₂在超级电容器中的电荷存储机制

MoS₂的电荷存储机制不是一个单一的、静态的过程，而是一种由其晶体结构、电子性质和与电解质的相互作用决定的动态复合行为。其独特的层状结构、可调的带隙和丰富的氧化还原化学性质使其能够通过多种途径同时或协同存储电荷[67,68]。深入理解这些机制是设计高性能电极材料的基础。

基于MoS₂的材料作为超级电容器电极

基于前面关于MoS₂电荷存储机制的讨论，实现其作为高性能超级电容器电极的潜力取决于从原子到微纳米尺度的精确“结构工程”系统设计。这种设计旨在协同优化两种存储机制：双层吸附和伪电容。具体来说，它包括：创建和暴露高活性位点以增强表面氧化还原反应；以及调节和

结论与展望

作为典型的二维过渡金属硫属化合物，MoS₂因其高理论比容量、可调的电子结构和丰富的活性位点而成为高性能超级电容器电极材料领域的研究热点和前沿方向。本文系统综述了不同晶相MoS₂的特性及其电荷存储机制，重点关注了各种材料方面的最新研究进展

CRediT作者贡献声明

张伟超：撰写——原始草稿，研究。刘浩：撰写——审阅与编辑。王凯：撰写——审阅与编辑。廖丽冰：撰写——审阅与编辑。

数据可用性声明

由于本研究过程中未生成或分析任何数据集，因此不适用数据共享。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。