具有优异电化学储能性能的纳米片组装 CoMoO4@MoS2 微花

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Nanosheet assembled CoMoO 4@MoS 2 microflowers with superior electrochemical storage performance

　　

摘要

过渡金属钼酸盐（TMMs）由于其卓越的理论存储容量，在超级电容器应用中展现出巨大的潜力。然而，其广泛商业化仍受限于电子传输缓慢和结构稳定性差。在此，构建了分级 CoMoO₄@MoS₂ 复合材料作为高性能超级电容器电极。制备的产品在 1 A g^?1 下提供了 1014 C g^?1 的比容量。此外，使用制备材料组装的非对称超级电容器（ASC）在 2700 W kg^?1 的功率密度下具有 54.8 W h kg^?1 的能量密度。同时，即使经过 10,000 次循环，它仍保持初始容量的 93.94%。该器件在不同弯曲角度下也表现出优异的机械耐久性。

引言

全球工业化的迅速推进加速了人类对能源资源的需求。尽管如此，现代社会严重依赖不可再生的化石燃料，导致严重的环境恶化和气候变化 [[1], [2], [3]]。包括太阳能和风能在内的可再生能源系统作为传统化石燃料的可持续替代品，引起了相当大的研究兴趣。然而，这些新兴资源受自然条件影响，难以提供稳定且连续的电力 [[4], [5], [6], [7]]。超级电容器作为储能器件引起了广泛关注 [8,9]。卓越的功率能力、超快的充放电动力学和高操作安全性使其在先进能源系统中极具吸引力。尽管具有这些优势，其不足的能量密度仍阻碍了广泛的商业化利用 [[10], [11], [12], [13]]。因此，设计具有高容量的新型电极材料是突破储能瓶颈的关键 [[14], [15], [16]]。

最近，大量努力集中在开发过渡金属钼酸盐（TMMs）作为先进超级电容器电极上 [23,24]。作为一种典型的双金属氧化物，CoMoO₄ (CMO) 凭借其丰富的电活性位点和多种氧化态，呈现出显著的理论比容量 [25,26]。例如，Guo 及其同事通过回流过程合成了 CHPO@CMO 纳米棒，在 1 A g^?1 下提供了 837.1 C g^?1 的容量 [27]。Fei 等人报道的 MoO₃/CMO 复合材料在 1 A g^?1 下显示出 951.5 C g^?1 的比容量。此外，他们在 812.1 W kg^?1 的功率密度下展示了 54.7 W h kg^?1 的能量密度 [28]。然而，CMO 基电极有限的电导率经常损害其倍率性能和延长的循环寿命 [29,30]。为了克服这些缺点，过渡金属硫化物（TMSs）因其优异的电导率和丰富的电活性位点而引起了广泛关注 [31,32]。Ali 小组在碳布上制备了 MoS₂ 纳米片，在 1 A g^?1 下提供了 947 C g^?1 的容量 [33]。除 MoS₂ 外，其他过渡金属硫化物也展示了出色的电化学活性。Li 等人报道了来自 Ni 基 MOF 的多孔 r-Ni₃S₂ 纳米粒子。该电极在 1 A g^?1 下具有 706.9 C g^?1 的比容量 [34]。Liu 及其同事构建了 MoS₂/Ni₃S₂ 微球正极，在 10,000 次循环后保持了其原始容量的 78.57% [35]。尽管取得了重大进展，但仍需进一步的结构优化以改善电荷转移动力学和循环稳定性。

在此，我们通过水热 - 煅烧 - 水热策略合成了 CoMoO₄@MoS₂ 复合材料。CoMoO₄ 和 MoS₂ 的结合可以提供丰富的活性位点并增强电子转移路径。所得电极在 1 A g^?1 下提供了 1014 C g^?1 的比容量，而在 10,000 次循环后仍保留其初始容量的 84.6%。使用该阴极组装的 ASCs 在 2700 W kg^?1 下提供了 54.8 W h kg^?1 的能量密度。值得注意的是，器件在各种角度下反复折叠没有明显的机械降解，展示了卓越的耐久性。

章节片段

CoMoO₄ 样品的合成

在合成之前，NF 基底依次在去离子水（DIW）和绝对乙醇中超声处理 30 分钟，然后过夜干燥。反应前驱体通过将 1.5 mmol Co(NO₃)₂?6H₂O、1.5 mmol Na₂MoO₄?2H₂O、0.5 mmol 尿素和 1 mmol NH₄F 混合在 50 mL DIW 中制备。为确保完全均匀化，混合物经历了 30 分钟的持续磁力搅拌。随后，该前驱体和预清洁的 NF 转移到 100 mL 特氟龙衬里

结果与讨论

首先，采用 X 射线衍射（XRD）评估合成材料的晶体结构和结晶度。图 1a 显示了来自底层镍泡沫（NF）的强衍射信号。这些特定的基底反射位于 44.6°、52.1° 和 76.7°（JCPDS No. 20-0781）。对于 MoS₂ 样品，特征衍射峰位于 32.6°、39.5°、49.7°、55.9°、68.4° 和 72.7°。这些峰对应其定义明确的 (100)、(103)、(105)、(106)，

结论

总之，我们通过结合简便的水热策略和退火过程设计了 NF 上的 CoMoO₄@MoS₂ 复合材料。合成的分级结构提供了丰富的电活性位点，促进了氧化还原反应和电荷传输。同时，CoMoO₄@MoS₂ 复合材料由于其组分的协同效应，显示出增强的比容量和循环稳定性。此外，构建的 CoMoO₄@MoS₂//AC 器件展示了巨大的能量密度

CRediT 作者贡献声明

孙红硕：撰写 - 原稿，可视化，验证，调查，数据整理。于美涵：软件。乔立龙：软件。吴翔：撰写 - 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本项目由国家自然科学基金（编号：52472227）支持。

孙红硕 | 于美涵 | 乔立龙 | 吴翔

沈阳工业大学材料与化学工程学院，沈阳，110870，中国