水系鋅離子電池（AZIBs）具有理論容量高（5851 mA h cm-3 和 820 mA h g-1）、氧化還原電位低（-0.763 V vs RHE）、電解質(zhì)無(wú)毒和鋅負(fù)極成本低等優(yōu)點(diǎn)，有望成為替代鋰離子電池的下一代能源方案。
AZIBs 技術(shù)的發(fā)展離不開高性能的正極材料，以適應(yīng)高效、快速和穩(wěn)定的鋅離子存儲(chǔ)。二硫化鉬 (MoS2) 作為最經(jīng)典的層狀過(guò)渡金屬二硫化物 (TMD) 之一，由于其簡(jiǎn)便的二維 (2D) 離子擴(kuò)散通道，被認(rèn)為是理想的AZIB 正極材料。而MoS2 基正極的儲(chǔ)鋅行為主要取決于邊緣位置的 Zn2+ 插入/脫出，因此與 Zn2+ 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的層間距、親水性和電導(dǎo)率等指標(biāo)對(duì)MoS2正極的水溶液儲(chǔ)鋅性能起著至關(guān)重要的作用。
此外，值得注意的是，MoS2中的 Zn2+ 離子擴(kuò)散仍然依賴于傳統(tǒng)的沿 ab 平面的2D 傳輸，迄今尚未實(shí)現(xiàn)利用基面來(lái)實(shí)現(xiàn) Zn2+ 沿 c 軸遷移。因此，解鎖基面并同時(shí)增加MoS2的層間距、親水性和導(dǎo)電性具有重要意義，可以將MoS2中傳統(tǒng)的2D Zn2+擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)楦奖愕?D離子傳輸模式（圖1）。
鑒于此，北京科技大學(xué)李平教授和劉永暢教授等人開發(fā)了一種簡(jiǎn)便的原位分子工程策略來(lái)修飾 MoS2 ，以提高其在水溶液中的儲(chǔ)鋅性能。研究人員創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了含有原位結(jié)構(gòu)缺陷和氧摻雜的D- MoS2-O材料，成功解鎖了基面并增加了層間距（從 6.2 到 9.6 ?），首次實(shí)現(xiàn)了高效MoS2框架中沿 ab 平面和 c 軸的 3D Zn 離子擴(kuò)散。此外，所制備的D- MoS2-O含有豐富的 1T 相，具有優(yōu)異的親水性和高導(dǎo)電性。因此，D- MoS2-O 正極在AZIBs中表現(xiàn)出相當(dāng)出色的高倍率性能和超長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性。
研究成果以“Molecular Engineering on MoS2 Enables Large Interlayers and Unlocked Basal Planes for High-Performance Aqueous Zn-Ion Storage”為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。
要點(diǎn)一
研究人員通過(guò)一步水熱法在碳布上生長(zhǎng)D-MoS2-O納米片，由于鉬酸鹽和硫脲前體在相對(duì)較低的溫度下反應(yīng)不充分，結(jié)構(gòu)缺陷和晶格氧被原位摻雜到 MoS2 框架中。
XRD、XPS和TEM表征結(jié)果顯示，S 空位和 O 摻雜均勻分布在D-MoS2-O 骨架中，大大增加了層間距，從 6.2 ?增加到 9.6 ? （圖2）。同時(shí)，所制備的D- MoS2-O含有豐富的 1T 相，表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性和高導(dǎo)電性。
圖2. D-MoS2–O 電極的制備和結(jié)構(gòu)表征
電化學(xué)測(cè)量結(jié)果表明，D-MoS2-O 電極中Zn2+具有快速擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和3D 傳輸行為，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和高倍率性能：D-MoS2-O 正極在0.1 A g-1 的電流密度下能夠提供約289.1 mAh g-1的可逆容量，幾乎是原始 MoS2 電極的六倍。即使在 10 A g-1 的高電流密度下，D-MoS2-O 正極也可以提供 102.4 mAh g-1 的可觀容量，且當(dāng)倍率調(diào)回 0.1 A g-1 時(shí)，比容量立即恢復(fù)到 284.9 mAh g-1，顯示出非凡的高倍率耐受性。
此外，D-MoS2-O 正極還表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性：在 1 A g-1電流密度下循環(huán) 1000 次后容量保持率高達(dá)90.5% （圖 2f）。
圖3. D-MoS2–O 電極的電化學(xué)性能
密度泛函理論計(jì)算證實(shí)，D-MoS2-O正極中的結(jié)構(gòu)缺陷和氧摻雜有效地降低了 Zn2+ 遷移的空間電阻，顯著降低了Zn2+的擴(kuò)散勢(shì)壘，從而允許Zn2+離子在MoS2骨架中沿ab面和c軸高效3D離子傳輸，實(shí)現(xiàn)了快速的電荷儲(chǔ)存動(dòng)力學(xué)。
圖4. D-MoS2-O 材料的DFT理論計(jì)算
令人印象深刻的是，采用D-MoS2-O正極組裝的柔性準(zhǔn)固態(tài)可充電鋅電池，即使在嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)下也表現(xiàn)出穩(wěn)定和可觀的放電容量，并成功為發(fā)光二極管 (LED) 陣列供電。
圖5. 采用D-MoS2-O 電極組裝的柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的性能表征
這項(xiàng)工作提出了一個(gè)新概念，將層狀材料中傳統(tǒng)的 2D 離子傳輸模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦奖愕?3D 模式，為設(shè)計(jì)用于水系鋅離子電池的高性能層狀正極材料開辟了新的途徑。
Shengwei Li, et al, Molecular Engineering on MoS2 Enables Large Interlayers and Unlocked Basal Planes for High-Performance Aqueous Zn-Ion Storage, Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.202108317. https://doi.org/10.1002/anie.202108317
原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/11/03/b081b05185/
-透明背底.png)
