높은 전기화학적 에너지 저장 성능을 갖춘 나노시트로 자체 조립된 계층적 다공성 MoS2/C 나노스피어

결과 및 토론

계층적 다공성 MoS₂의 준비 과정 다이어그램 /C 나노스피어는 그림 1에 나와 있습니다. Na₂ MoO₄ 공급 몰리브덴 이온, CH₄ N₂ S는 황 공급원을 제공하고 DPH는 탄소 공급원을 제공합니다. 폴리도파민 탄소 재료는 더 나은 전기 화학적 성능과 더 나은 전도성을 가지고 있습니다. PVP는 분산제 및 안정제 역할을 합니다. 열수 공정에서 계면 활성제 PVP는 MoS₂를 따라 우선적으로 흡착합니다. 나노 입자 경계, MoS₂ 유발 결정핵 이방성 성장 및 MoS₂ 형성 나노시트. MoS₂의 큰 비표면적과 높은 표면 에너지로 인해 나노시트/탄소 전구체, MoS₂ 나노시트는 나노구체로 자체 조립됩니다. 마지막으로 MoS₂ /C 나노구는 불활성 분위기에서 하소하여 준비됩니다.

계층적 다공성 MoS₂의 준비 과정 다이어그램 /C 나노스피어

그림 2a는 상용 MoS₂의 XRD 패턴을 보여줍니다. 및 MoS₂ /C 나노스피어. 상업용 MoS₂의 패턴 육각형 2H-MoS₂의 표준 카드와 일치합니다. (JCPDS 87-2416). 회절 피크는 약 2θ =32.8° 및 58.5°는 MoS₂의 (100) 및 (110) 평면에 인덱싱될 수 있습니다. 상업용 MoS₂ 모두에서 그리고 준비된 MoS₂ /C [19, 29]. 또한, 새로운 구조의 생성은 MoS₂의 두 개의 새로운 피크에 의해 증명될 수 있습니다. /C 약 2θ에서 =7.9° 및 18.3°, 확장된 (001) 및 (002) 결정면 [27]. 확장된 d-간격은 HRTEM 관찰 결과로도 나타납니다(그림 2g). 위의 분석은 MoS₂를 성공적으로 합성했음을 나타냅니다. /C와 DPH의 참여는 층간 간격 확장에 기여했습니다. 그림 1b와 같이 N₂를 기준으로 흡착/탈착 등온선 분석, MoS₂의 BET 표면적 /C는 16.59m ² 로 결론지었습니다. g ⁻¹ . BJH 방정식[2]을 사용하여 계산된 기공 크기 분포(그림 2b의 삽입)는 평균 기공 크기가 20.66nm인 다중 규모 다공성 구조를 나타냅니다. 이러한 계층적 다공성 구조는 전극과 전해질 사이의 긴밀한 접촉과 빠른 전자 및 이온 수송을 촉진하여 리튬 저장 성능을 더욱 향상시킵니다. 그림 2c와 같이 MoS₂의 라만 스펙트럼 /C는 탄소의 존재와 흑연화 정도를 확인한다. 384 및 407cm에 중심을 둔 두 개의 일반적인 피크 ⁻¹ E와 연관되어 있습니다. ₁ ^2g 그리고 A _1g MoS₂의 진동 모드 [17, 29, 30], 각각. 1373cm ⁻¹ 에 위치한 또 다른 두 개의 특징적인 피크 (D 밴드) 및 1605cm ⁻¹ (G 밴드) 탄소 상에 직접적일 수 있다[15, 21, 31]. 구체적으로 D 밴드는 sp ³ - 흑연 평면에서 혼성화, G 밴드는 결정질 흑연화 탄소에 기인한다[19, 32]. D band와 G band의 세기 비율은 0.85로 계산되어 탄소의 흑연화 정도가 상대적으로 높음을 알 수 있다. 그림 2d의 TGA 측정은 MoS₂의 탄소 함량을 확인합니다. /C 합성물. 100°C 이전의 4.2% 중량 손실은 샘플에서 흡착된 유리수의 증발에 해당하고 37.54% 중량 손실은 MoS₂의 산화를 나타냅니다. MoO₃으로 공중에서 [14, 15]. 따라서, 흡착된 물의 중량 백분율, MoS₂ 및 탄소는 각각 4.2, 64.78 및 31.02wt%로 결정되었습니다.

아 상업용 MoS의 XRD 패턴₂ 및 MoS₂ /C 나노스피어; ㄴ N₂ MoS₂의 흡착/탈착 등온선 및 기공 크기 분포 /C 나노스피어; ㄷ MoS₂의 라만 스펙트럼 /C 나노스피어; d MoS₂의 TGA 곡선 /C 나노스피어

XPS는 MoS₂의 원소 조성과 원자가 상태를 평가하기 위해 조사되었습니다. /C 그림 3a–d. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 Mo, S, C 및 O의 주요 요소는 설문 패턴에서 식별할 수 있습니다. O는 표면의 산소 흡착에서 파생됩니다. 그림 3b는 Mo 3d의 고해상도 스펙트럼을 보여줍니다. . 229.8 및 233.1 eV를 중심으로 하는 두 개의 주요 피크는 Mo 3d에 기인합니다. _5/2 그리고 3월일 _3/2 / Mo ⁴⁺ MoS₂에서 /C [19, 29]. 227.0eV에 위치한 또 다른 넓은 피크는 일반적으로 S 2s와 연결됩니다. . 236.3eV의 나머지 피크는 Mo ⁶⁺ 로 색인화될 수 있습니다. MoS₂ 사이의 CO-Mo 결합 형성을 나타냅니다. 다른 MoS₂와 일치하는 탄소 /C 합성물 [27, 30, 33]. S의 쌍 특성 피크는 S 2p에 해당하는 그림 3c의 162.5 및 163.7 eV에서 명확하게 관찰될 수 있습니다. _3/2 및 S 2p _1/2 S ²⁻ 의 MoS₂에서 [5, 21]. C 1s의 분해된 XPS 스펙트럼 그림 3d에 나와 있습니다. 신호는 3개의 피크에 맞출 수 있습니다. 284.7eV에 중심을 둔 주요 피크는 C–C에 해당하는 반면 285.6 및 288.9eV에 있는 두 개의 피크는 각각 C–O 및 O–C=O에 할당될 수 있습니다[14, 29, 34, 35].

MoS₂의 XPS 스펙트럼 /C 나노스피어:a 설문조사, b 월 3일 , ㄷ S 2p , d C 1s

그림 4와 같이 FESEM 및 TEM 이미지는 MoS₂의 형태와 구조를 공개했습니다. /씨. MoS₂의 대표적인 FESEM 및 TEM 이미지 /C는 초박형 MoS₂에서 조립된 다공성 나노구 구조를 나타내는 그림 4a–f에 표시됩니다. /C 나노시트는 평균 직경이 130–200nm입니다. FESEM 지역 원소 매핑 분석(그림 4c)은 합성물 전체에 Mo, S, C 원소의 존재와 균일한 분포를 확인합니다. 또한, 나노시트는 얇은 탄소층으로 덮여 있고 서로 밀접하게 접촉하여 그림 4e, f에서 나노구체를 형성한다. 이러한 개방형 다공성 구조는 방전/충전 과정에서 전자 접촉 및 빠른 전자 이동에 유리합니다. 그림 4g는 MoS₂의 HRTEM 이미지를 보여줍니다. /씨. SAED(Selected Area Electron Diffraction) 패턴은 MoS₂의 다결정 특성에 대한 회절 고리를 나타냅니다. (그림 4g 삽입).

아 , b FESEM 이미지; ㄷ FESEM 지구 요소 매핑 이미지; d –f TEM 이미지; 지 HRTEM 이미지 및 MoS₂의 해당 SAED 패턴 삽입 /C 나노스피어

획득한 MoS₂ /C 복합재에는 31.02wt%의 탄소가 포함되어 있습니다. 비교를 위해 상용 MoS₂에 동일한 함량의 전도성 활성탄 분말을 추가합니다. 활성 물질로 사용하고 PVDF 및 아세틸렌 블랙과 혼합하여 전극을 얻습니다. 두 샘플은 전기화학적 메커니즘과 성능을 평가하기 위해 CR2032 코인형 전지 양극으로 조립되었습니다. MoS₂의 처음 세 CV 곡선 /C 전극은 0.2mV s ⁻¹ 의 스캔 속도에서 0.01~3.0V의 전위 창에서 수행되었습니다. . 그림 5a에서 볼 수 있듯이 첫 번째 음극 스윕에서 1.22V에서 0.1V로 3개의 감소 피크가 관찰됩니다. 0.73–1.22V에 위치한 넓은 감소 피크는 Li ⁺ 삽입에 해당합니다. MoS₂로 /C 및 MoS₂의 리튬화 공정 Li_x를 형성하기 위해 모스₂ [16, 36]. 0.58V 및 0.1V에 중심을 둔 또 다른 두 환원 피크는 고체 전해질 계면(SEI) 필름의 생성과 Li_{x의 환원에 기인할 수 있습니다.} 모스₂ Mo [14, 15, 25]에 각각. 첫 번째 양극 스윕의 경우 Mo에서 MoS₂로의 산화에 할당된 1.53 및 2.22V에서 두 개의 눈에 띄는 피크만 나타납니다. Li₂의 상 및 탈리튬화 공정 S ~ S [5, 21, 37]. 다음 스윕에서 환원 피크(0.58V)가 사라지고 다른 두 피크가 1.17V 및 1.90V로 이동하여 MoS₂의 다중 리튬화 프로세스를 나타냅니다. . 특히, 두 번째/세 번째 스윕에서 중첩된 곡선은 제조된 MoS₂의 높은 가역성과 우수한 사이클링 안정성을 의미합니다. /C LIB. MoS₂의 정전류 충전-방전 곡선 /C는 0.1A g ⁻¹ 의 전류 밀도에서 0.01~3.0V 사이에서 수행됩니다. 그림 5b에서. 발생하는 충방전 전압 플랫폼은 CV 결과에 따릅니다. MoS₂ /C 전극은 최대 1307.77mAh g ⁻¹ 의 방전 용량을 제공합니다. 865.54mAh g ⁻¹ 의 충전 용량 초기 쿨롱 효율(CE)은 66.18%입니다. 게다가, 바람직하지 않은 CE 및 약 33%의 용량 손실은 아마도 전해질의 비가역적 분해 및 전극 표면의 SEI 막 생성에서 기인할 것이다[5, 14]. 두 번째 및 세 번째 충전/방전 전압 프로파일은 서로 반복됩니다. 특정 용량은 845.58/879.20mAh g ⁻¹ 입니다. 및 836.13/810.92mAh g ⁻¹ , 각각. 이 강화된 CE는 MoS₂의 전기화학적 가역성을 나타냅니다. /C 양극이 좋습니다.

아 스캔 속도 0.2mV s ⁻¹ 에서의 CV 곡선 0~3 V 및 b 사이 0.1A g ⁻¹ 전류 밀도에서의 방전/충전 프로파일 의 MoS₂ /C 나노스피어; ㄷ MoS₂의 사이클링 성능 및 MoS₂ 0.1A g ⁻¹ 의 전류 밀도에서 /C 나노스피어 100 사이클 동안; d 0.1~2A의 다양한 전류 속도에서 두 샘플의 속도 성능 g ⁻¹ ; 이 1A g ⁻¹ 의 전류 밀도에서 두 샘플의 장기 사이클링 성능 500주기 동안

그림 5c는 MoS₂의 사이클링 성능을 비교합니다. /C 및 상업용 MoS₂ 0.1A g ⁻¹ 의 전류 밀도에서 양극 100주기 동안. 상업용 MoS₂ 671.70/952.52mAh g ⁻¹ 의 초기 충전/방전 특정 용량을 나타냅니다. , MoS₂에서 멀리 떨어져 있습니다. /C 복합 재료(865.54/1307.77mAh g ⁻¹ ). MoS₂에 탄소가 존재하기 때문입니다. /C는 다공성 나노구 구조 및 고분자 겔형 필름(SEI)의 가역적 형성/분해에서 유래한 Li의 전도성 및 표면/계면 저장을 개선합니다[38]. 100주기 후에 MoS₂ /C 및 MoS₂ 양극은 587.18 및 350mAh g ⁻¹ 의 방전 비용량을 나타냅니다. 약 99%의 높은 CE로. 두 샘플의 속도 기능도 0.1 ~ 2A g ⁻¹ 범위의 서로 다른 전류 밀도에서 평가되었습니다. 그림 5d에서. MoS₂ /C는 더 높은 전류 밀도에서 높은 방전 용량을 유지합니다:878mAh g ⁻¹ 0.1A에서 g ⁻¹ , 806mAh g ⁻¹ 0.2A에서 g ⁻¹ , 733mAh g ⁻¹ 0.5A g ⁻¹ 에서 , 673mAh g ⁻¹ 1A에서 g ⁻¹ , 633mAh g ⁻¹ 1.5A에서 g ⁻¹ 및 612mAh g ⁻¹ 2A g ⁻¹ 에서 10주기 후. 0.1A의 전류 밀도에서 재평가된 경우 g ⁻¹ , 방전 용량이 빠르게 754mAh g ⁻¹ 에 도달합니다. 876mAh g ⁻¹ 유지 40주기 후, 첫 10주기와 거의 흡사하여 MoS₂의 뛰어난 속도 성능과 구조적 안정성을 나타냅니다. /씨. MoS₂의 경우 , 0.1A g ⁻¹ 의 방전 용량 ~ 2A g ⁻¹ 10주기 후 320 및 55mAh g ⁻¹ 약 83%의 엄청난 용량 손실이 있습니다. 결과는 상업용 MoS₂의 전기 전도도가 활성탄 첨가로 인한 현저한 개선이 없어 급속 충방전 효과를 얻지 못한다. 단순한 물리적 혼합이 상용 MoS의 전기 전도도를 효과적으로 향상시킬 수 없기 때문입니다₂ , 그러나 얻은 MoS₂와 같은 탄소 코팅으로 이상적인 목표를 달성할 수 있습니다. /C.

1.0A g ⁻¹ 의 큰 전류 밀도에서 두 샘플의 장기 사이클링 성능이 그림 5e에 나와 있습니다. . 전극을 활성화하기 위해 0.05A g ⁻¹ 의 낮은 전류 밀도에서 셀을 테스트합니다. 처음 두 사이클 동안. MoS₂ /C는 515, 443 및 439mAh g ⁻¹ 의 높은 방전 용량을 나타냅니다. 1.0A에서 g ⁻¹ 각각 100번째, 300번째, 500번째 사이클 동안. 이전에 보고된 MoS₂와 비교 표 1의 양극 물질은 계층적 다공성 MoS₂ /C 나노구는 더 나은 전기화학적 성능을 가지며 흑연 양극 재료를 대체할 큰 잠재력을 보여줄 것입니다. MoS₂의 용량 곡선은 /C는 처음 몇 사이클을 제외하고는 전체적으로 뚜렷한 감소 없이 비교적 안정적이며, 이는 탁월한 장기 사이클링 안정성을 보여줍니다. 그러나 MoS₂ 양극은 114, 109 및 138mAh g ⁻¹ 의 낮은 방전 용량으로 엄청난 용량 손실을 겪습니다. 같은 주기로. 결과적으로 MoS₂ /C는 여전히 상업용 MoS보다 우수한 전기화학적 특성을 나타냅니다.₂ , 동일한 상대 중량비의 활성탄이 MoS₂에 도입되지만 전극. 이는 다음과 같은 이점에 기인할 수 있습니다. I. MoS₂ /C 복합 재료는 나노구가 초박형 MoS₂에 의해 자가 조립되는 개방형 다공성 구조를 가지고 있습니다. /C 나노시트는 얇은 탄소층으로 코팅되어 전극과 전해질 사이의 긴밀한 접촉과 빠른 전자 및 이온 수송을 촉진합니다. 한편, 개방형 다공성 구조는 내부 상호 연결된 채널을 형성하고 전자/이온 전송 및 리튬 저장을 위한 활성 사이트 수를 증가시키는 데 유리합니다. Ⅱ. DPH의 탄화에서 파생된 얇은 탄소 층은 MoS₂의 응집을 방해하는 안정적인 지지 매트릭스 역할을 할 뿐만 아니라 나노 시트뿐만 아니라 재료의 전체 전도성을 향상시킵니다. III. MoS₂의 확장된 층간 간격 MoS₂에서 /C는 이온 확산 저항을 감소시키고 방전/충전 주기 동안 부피 팽창을 완화할 수 있습니다.