Adv. Mater. 复旦赵东元教授研发具有清晰界面的二维介孔碳/MoS2异质结构用于高性能锂电池

【引言】

富有魅力的二维材料具有新奇且有用的属性，这使它们成为大量研究的焦点。为了探索这些层状材料的潜力以及它们的化学组成和电子性质的精确的空间调制就需要创造出清晰的异质结构。层状二维材料（例如：统一的双层石墨烯、横向或外部增长过渡金属硫化物（TMD_S））中的清晰界面总是为其带来前所未有的独特性质。然而，要实现多层超薄TMD_S和石墨烯材料之间精确匹配且界面清晰是很难做到的。同时，发展简易灵活的复合二维薄膜工程策略具有巨大的研究价值。二维纳米材料能够克服块状晶体的结构不稳定的缺点，可作为优良的锂离子电池（LIB_S）负极材料。然而，这种结构仍存在一些问题。TMDs的电导率太低阻碍了其作为合适的电极。此外，一些如形态、结构和界面等因素需要得到很好的处理，否则它们将发生团聚和纳米片重新堆叠的问题，导致循环寿命的缩短和储锂能力的降低。最近的研究工作表明，利用碳质材料（碳纳米管、石墨烯、碳泡沫）和TMD之间的协同作用，复合式TMD/碳电极能表现出良好的电化学性能。另一方面，具有长程有序结构的介孔碳具有许多理想的性能，包括优异的导电性、高表面积的，孔径可调的多孔性，是已被公认的用于能量储存和转换的理想候选材料。特别是前所未有的二维层状介孔碳/石墨烯已被证明是一种优良的负极材料。但是具有TMD框架的二维介孔碳/石墨材料的构建仍处于起步阶段。此外，处理好碳和TMD材料之间的界面问题仍然是一个巨大挑战。

【成果简介】

近日，复旦大学的赵东元教授课题组在Advanced Materials上发文，题为“Synthesis of 2D-Mesoporous-Carbon/MoS2 Heterostructures with Well-Defined Interfaces for High-Performance Lithium-Ion Batteries”。 该课题组合成了具有清晰界面的二维介孔碳/ MoS₂异质结构。

该小组研究人员运用了两步合成法制备了一种具有清晰界面的垂直型堆叠的超薄二维单层有序介孔碳/二维MoS₂层状异质材料。所制备的二维介孔碳层约1 nm（三个碳原子的厚度），也可以定义为一种介孔碳纳米片（MCN）。这是首次制备成功具有原子级别整齐且界面清晰的超薄有序介孔碳纳米片/ MoS₂异质结构。这种厚度仅为几纳米的二维多层材料形成三明治式的三层结构。这三层材料分别为：有序介孔碳层/ MoS₂层/有序介孔碳层，每层厚度约1 nm。这种逐层有序介孔碳纳米片/ MoS₂异质结构具有超高的可逆容量（电流密度为100 mA g⁻¹时，容量超过1400 mA h g⁻¹，在之后的循环中容量稳定在1140 mA h g⁻¹。即使在10 A g⁻¹的超高电流密度下，可逆容量可达400 mA h g⁻¹并保持良好的循环稳定性。

【图文导读】

示意图：具有原子级别整齐且界面清晰的有序介孔碳/ MoS₂纳米片异质结构形成过程

自组装单层单微团的形成过程，这起始于活性位点“岛”（MoS₂的缺陷，在途中标记为红色）。单微团的自组装严格沿平面进行，从而形成精确匹配且清晰的界面。这些单微团阵列聚合形成介孔聚合物超薄层，然后碳化形成有序介孔碳/ MoS₂纳米片。

图1: 有序介孔碳/ MoS₂异质纳米片的SEM图、AFM形貌图

逐层自组装有序介孔碳/ MoS₂异质纳米片的（a）SEM图、（b-d）高分辨率SEM图和（e，f）AFM图像。白色箭头指示具有有序介孔超薄纳米片。（e，f）AFM形貌图（e）和相位图（f）显示有序介孔结构在材料的表面。

图2：拉曼光谱及高度信息

（a，b）纯MoS₂和有序介孔碳/MoS₂层异质纳米片的AFM图像和相应的高度信息。

（c）纯MoS₂和有序介孔碳/MoS₂层异质纳米片的的拉曼光谱。

图3：介孔碳/ MoS₂纳米片的TEM图像

（a–f）有序介孔碳/ MoS₂纳米片的低倍率透射电镜TEM图像(a，b)；介孔在横截面上和异质纳米片的平面上的分布TEM图像（c，d）；

（e）介孔碳/ MoS₂异质纳米片结构的高分辨率TEM图像，显示了碳孔壁（标有箭头）；

（f）介孔碳/ MoS₂异质纳米片的横截面的高分辨率TEM图像。可以观察到碳和MoS₂原子层。

图4：电化学性能表征

（a，b）倍率性能曲线，（c，d）充放电曲线和（e）纯MoS₂纳米片和介孔碳/ MoS₂异质纳米片的阻抗曲线。

【总结】

该课题组运用了两步合成法首次制备了一种具有清晰界面的垂直型堆叠的超薄二维单层有序介孔碳/二维MoS₂层状异质材料。二维有序介孔碳/ MoS₂纳米异质结构具有丰富的有序介孔（约9 nm）能作为有效的离子运输通道，从而使得材料具有超高的可逆容量（电流密度为100 mA g⁻¹时，容量超过1400 mA h g⁻¹，在之后的循环中容量稳定在1140 mA h g⁻¹。即使在10 A g⁻¹的超高电流密度下，可逆容量可达400 mA h g⁻¹并保持良好的循环稳定性（300次以上））。有序介孔碳/ MoS₂异质结构具有超高的储锂能力和优良的循环倍率性能，这为合理设计具有出色的性能和稳定性的锂离子电池负极材料开辟了一条新的路线。

文献链接：Synthesis of 2D-Mesoporous-Carbon/MoS2 Heterostructures with Well-Defined Interfaces forHigh-Performance Lithium-Ion Batteries（Adv. Mater. ，2016，DOI:10.1002/adma.201602210）

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