碳基质中MoS2的限域生长调控及电容特性研究

吴曼曼，蒋佳琳，杨洋，季红梅

（1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏 常熟 215500；2.中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏 徐州 221116）

碳基质中MoS2的限域生长调控及电容特性研究

吴曼曼1，2，蒋佳琳1，2，杨洋1，季红梅1

（1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏 常熟 215500；2.中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏 徐州 221116）

设计了一种通过碳基质限域控制二维材料生长的方法，制备了多孔MoS2/C杂化复合物.该材料具有低的电荷迁移阻力、众多的电化学活性位点以及稳定的结构，因此具有优异的储电性能.该电极材料在4 A·g-1电流密度下，具有418 F·g-1的高比容量，以及2000圈循环后容量保持率为104%的优异循环稳定性.

二维材料；MoS2；碳材料；杂化结构；超级电容器

超级电容器作为新型的储能器件具有功率密度大和能量密度高的优点，在数码通讯设备和混合电动交通工具等方面有重要的应用潜力［1］.寻求具有高倍率性能和长循环寿命的电极材料是超级电容器得以有效应用的关键.MoS2作为典型的层状材料，层间具有大量可供电荷插入的位点，且兼具双电层电容和赝电容特性，理论比容量高达1000 F/g［2］，有望成为具有优异电容特性的电极材料［3］.

然而，MoS2片层的高度堆积使电极材料的导电性和层间位点利用率不够理想，导致电荷在其层间的传输和存储受限［3］.人们尝试将MoS2与导电材料（碳纳米管，石墨烯，导电聚合物）复合以提升其导电性.通过调控MoS2基复合物的尺寸形貌促使MoS2赝电容特性的发挥［4-6］.但是这些方法通常需要严格控制反应条件，很难大规模生产，且所得电极材料的倍率性能和循环稳定性也不尽如意.本文采用微波水热和后处理的方法，快速制备了多孔MoS2/C多级杂化纳米结构.电极材料的多孔特性以及MoS2和C的有序杂化使得其在充放电过程中表现出良好的法拉第/非法拉第过程，从而具有较高的倍率性能和循环稳定性［7］.

图1为MoS2/C纳米杂化复合物的合成机理简图.纯的葡萄糖体系，葡萄糖在微波水热过程中聚合缩水，随后焙烧生成碳球.当体系中加入少量（NH4）2MoS4，MoS42–离子和葡萄糖分子中的含氧基团发生作用，少量的MoS42–在葡萄糖中呈现高度分散状态，因此并不能阻止葡萄糖分子聚合成球状结构.但葡萄糖浓度相对减小，因此聚合生成的MoS2/C球直径较纯碳球小.此时，C基质中MoS2纳米片分散度极好且尺寸较小，堆垛层数少.当MoS42–的浓度继续增加，葡萄糖的相对浓度进一步减小，分散于葡萄糖周围的MoS42–增多，导致没有足够的游离葡萄糖分子以聚合成球状.因此在MoS2/C-3中生成了不规则的球且尺寸较MoS2/C-1.5中的小.该样品中MoS2的层数和尺寸有所增加，在C基质中的量提升并保持均匀分散.当MoS42–的浓度进一步增加，大量的MoS42–分散在葡萄糖周围，因此，葡萄糖相互间聚合的机率大大降低，此时，葡萄糖仅充当MoS2生长的结构导向剂.因此，缩聚后的葡萄糖分子诱导MoS2生长，MoS2组装成花椰菜结构，尺寸和堆垛层数进一步增加.最后，在纯（NH4）2MoS4体系中，MoS2由于自身的层状结构，自发生成纳米片结构，这些纳米片由于没有葡萄糖阻聚剂的存在，进一步组装成高度堆垛的大块材料.

图1 MoS2/C纳米杂化复合物合成机理简图

可见，不同反应条件下得到样品的基本结构单元尺寸，MoS2层片的尺寸、堆垛程度以及在碳基质中的分散度存在很大区别，这些结构特征影响材料的储电性能.其中，MoS2/C-3表现出的电化学性能最理想，在4 A·g–1较高的电流密度下，放电比容量达到418 F·g–1，且充放电2000圈后，容量不发生衰减（见图2）.结合MoS2/C-3的微观结构图，可以看出其良好的电化学性能主要来源于以下原因：第一，构建MoS2/ C-3基本结构单元小，仅有几十纳米，且MoS2量较多但尺寸较小以至于H+可以较充分地到达层间的中心区域，促使其同时发挥双电层电容和赝电容特性；第二，MoS2/C-3杂化结构松散开放，MoS2纳米片堆垛层数较少，C和MoS2均匀间隔分布，大大增加了电极材料的导电性.最后，均匀的C基质可以缓冲充放电过程中电极材料产生的形变应力，防止H+在高倍率条件下在MoS2层间快速嵌入/脱嵌引起的结构坍塌，保证了电极材料在高电流密度下的电化学性能.

图2 MoS2/C-3复合物的微观结构特征以及充放电稳定性示意图

本工作利用微波水热法创建了一个便捷、经济且可大规模生产多孔二维材料与碳复合的纳米结构的方法.作为超级电容器电极材料的应用证明，所得到的多孔MoS2/C纳米杂化结构具有理想的倍率性能和循环稳定性.

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A Study on the Growth of MoS2in the Carbon Matrix and Its Capacitance Characteristic

WU Manman1,2,JIANG Jialin1,2,YANG Yang1,JI Hongmei1
(1.School of Chemistry and Material Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500; 2.School of Chemistry and Material Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

This paper presents a design of confinement on the growth of MoS2in the carbon matrix to prepare porous hierarchical architectures MoS2/C composites.The obtained material bears a low charge-transfer resistance, many electrochemical active sites and a robust structure for an outstanding energy storage performance including a high specific capacitance(418 F·g-1at 4 A·g-1)and an excellent cycling stability(retention 104%after 2000 cycles)for application in supercapacitors.

two-dimension material;MoS2;carbon material;hybrid;supercapacitor

TM242

A

1008-2794（2017）02-0001-02

2016-12-26

江苏省自然科学基金项目“基于层状Mo、V氧硫化物插层结构的可控构建及其在超级电容器领域的应用”（BK20160409）

季红梅，副教授，博士，研究方向：储电功能材料，E-mail：jihm@cslg.edu.cn.