协同作用的MoS?/SnO?纳米复合材料：一种制备耐用高容量超级电容器的湿法制备方法

《Materials Science and Engineering: B》：Synergistic MoS 2/SnO 2 nanocomposites: A hydrothermal approach to durable and high-capacity supercapacitors

　　

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  本研究成功制备了MoS₂/SnO₂（2:8）和（1:1）复合材料，用于超级电容器的电极材料。
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  MoS₂/SnO₂（2:8）复合材料的比电容在三电极系统中达到了260 F g^?1的高值。
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  经过7000次充放电循环后，电容保持率仍为88%，表明MoS₂/SnO₂复合材料在超级电容器中具有可行性。
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  在整个7000次循环过程中，库仑效率接近100%。

引言

随着汽油和石油储备的持续减少，新型储能方法和替代能源形式引起了科学界的广泛关注。其中，超级电容器因其诸多优点（如高比电容、优异的功率密度、快速的充放电能力、较长的循环寿命以及提高的安全性能）而备受青睐[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9]。由于其优势以及小巧的尺寸，超级电容器在高能量电源、移动设备通信和航空领域具有潜在应用前景[10],[11],[12],[13]。超级电容器的核心组成部分是用于制造电极的材料。过渡金属氧化物和氢氧化物因具有特定的化学组成、几何结构以及良好的伪电容性能而被广泛研究作为电极基底[14],[15],[16],[17],[18]。

由于硫化钼（MoS₂）出色的电化学和电催化性能，以及其理论容量高达670 mAh g^?1，它成为典型的材料。因此，基于过渡金属硫化物的阳极材料受到了极大关注[19]。与传统的石墨电极相比，MoS₂基材料提供了更高的伪电容存储能力，并具有更宽的电化学稳定性窗口，后者通常受限于较低的比电容（约10–20 F g^?1）和狭窄的工作电压范围。这使得MoS₂成为下一代超级电容器的理想候选材料，具有更高的能量和功率密度[20],[21],[22],[23],[24]。MoS₂因其理想的电化学活性、经济可行性和天然存在而常用于超级电容器的电极制备。然而，其较低的导电性、高电荷转移阻力以及电子传输和速率性能限制了其在超级电容器中的广泛应用。最近的研究集中在含有导电稳定基体的MoS₂基混合物和混合设计上，这些设计克服了MoS₂的固有限制，同时保留了其伪电容特性[28],[29],[30],[31],[32],[33]。

二氧化锡（SnO₂）具有优异的结构性能，包括高密度和良好的阻抗特性，使其成为许多工业应用的理想材料。这些特性涵盖了机械、热学、光学和电学性能[34]。此外，SnO₂由于成本低、密度高和优异的耐电性能而受到广泛关注。然而，纯二氧化锡存在一些根本性缺陷，如较低的比电容、较差的倍率性能、高内阻和宽带隙，这些问题严重限制了其电化学性能。

制备复合结构超级电容器电极材料是多项已发表研究的内容。Mohit Saraf[35]合成了具有增强电化学循环性能的MoS₂-rGO纳米复合材料，在1.2 A g^?1电流密度下测得比电容为387.6 F g^{?1₂纳米复合材料开发了对称超级电容器技术，该化合物在镍泡沫上应用，表现出133 F g?1_sp和47.28 Wh kg?1₂复合材料相比，最近通过简单的湿法热处理方法设计并合成了一种高性能的混合超级电容器，其比电容约为1.033 C/cm2[37]。}

本研究将具有高介电常数和稳定化学性质的SnO₂与具有优良导电性和伪电容行为的MoS₂结合，以期通过协同效应获得更好的电化学性能。柠檬酸抑制了MoS₂和SnO₂晶体的生长，促进了分散并防止了聚集。肼将Mo⁶⁺还原为Mo⁴⁺，最终分解为NH₃/N₂以生成孔隙。乙醇提高了前驱体的均匀性并调节了其反应动力学。

本研究发现，MoS₂/SnO₂复合材料表现出优异的循环稳定性，因为弹性MoS₂基质能够吸收体积应变，从而防止电极变形和脱层。同时，SnO₂纳米颗粒作为间隔层，保持了多孔结构，确保了电解质的持续渗透，防止了MoS₂的重叠。在数千次循环中，这种协同的机械增强作用降低了电容衰减。MoS₂和SnO₂在复合材料中的独特相互作用改善了电荷转移动力学和结构完整性。对制备的材料进行了XRD、FESEM、EDX和XPS等表征分析。还进行了电化学研究，如阻抗测试、循环伏安法和充放电测试，以评估粉末的性能。

MoS₂和SnO₂样品采用简单的水热法制备，而MoS₂/SnO₂复合材料则通过湿化学方法制备，具有不同的重量比（分别表示为MS-(1:1)和MS-(2:8)。通过逐渐增加电流密度（1–5) A g^{?1?1?1₂在相同电流密度下的比电容分别为123.7、92.5、71.2、70和68.75 F g?1?1?1}

章节摘录

实验部分

本研究使用的基本化学品包括SnCl₂?2H₂O（99.9%，中国天津）和C₆H₅Na₃O₇·2H₂O（99.99%，中国南京）。此外，还使用了硫、肼、乙醇（CH₃CH₂OH）和钼酸铵（NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O。

硫和钼酸铵（((NH₄)₆Mo₇O₂₄?4H₂O）是制备硫化钼纳米颗粒的原料。首先，将30毫升过滤水与1.2克钼酸铵和0.4克硫颗粒混合。

XRD分析

图3展示了MoS₂和SnO₂的二元组成及其原始样品的XRD图谱。XRD有助于确定MoS₂、SnO₂及其复合材料的相纯度和晶体性质。图中显示了使用不同重量比和浓度制备的粉末的X射线 diffraction 图谱（图3）。MoS₂（JCPDS#.37–1492）和SnO₂（JCPDS#.41-1445）的标准相通过清晰的 diffraction 峰值得到表征。

电化学结果

首先，在三电极配置下，将MoS₂、SnO₂的电化学参数与MS（2:8）和MS（1:1）复合材料进行了比较。结果和相应的曲线显示在图6中。图6(b, c)中的堆叠图表明，所有复合材料都参与了伪电容过程。MS（2:8）复合材料的循环伏安（CV）图显示了最大的捕获面积。

两电极研究

在组装非对称MoS₂/SnO₂//AC超级电容器（图10a）时，活性炭用作阳极，MS（2:8）用作阴极，电解质为KOH。实验结果表明，MS（2:8）//AC形成的电容器工作方式类似于电池。根据图10c中的CV图，可以认为内部的两电极ASC在（?0.8–0.8）V的电压范围内是稳定的。

结论

采用直接的水热法制备了不同重量比的MoS₂/SnO₂复合材料（分别表示为MS（2:8）和MS（1:1））。在合成的复合材料中，MS（2:8）混杂物表现出更优的比表面积和更低的电荷转移阻力，其比电容在1 A g^?1时达到260 F g^?1。因此，MS（2:8）电极在比电容方面优于其他所有制备的电极。

CRediT作者贡献声明

Ehsan Ullah：撰写——原始草案。Nisar Ali：概念构思。Mohammad M. Al-Hinaai：概念构思。Dost Muhammad：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草案。Syed Hatim Shah：方法学。Imran Shakir：监督。

作者声明

这是作者的原创工作，未提交给其他任何地方进行可能的发表。

遵守伦理标准

作者声明他们没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯麦地那伊斯兰大学的科学研究学院对这项研究的资助。

Ehsan Ullah|Nisar Ali|Mohammad M. Al-Hinaai|Dost Muhammad|Syed Hatim Shah|Imran Shakir