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蘇州納米所等制備出高性能纖維狀銨根離子贗電容負(fù)極
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2022-09-14 15:49:39
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銨根離子作為非金屬離子，具有安全性高、摩爾質(zhì)量低、水合離子半徑小、離子電導(dǎo)率高、資源豐富等特點(diǎn)，在可穿戴水系超級(jí)電容器中表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。高能量密度柔性銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器的應(yīng)用前景廣闊，但由于缺乏高容量贗電容負(fù)極相關(guān)研究，發(fā)展高能量密度的銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器仍具有挑戰(zhàn)性。近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等研究人員提出將MoS2@TiN異質(zhì)結(jié)陣列直接生長(zhǎng)在碳納米管纖維上（MoS2@TiN/CNTF）,由于該異質(zhì)結(jié)陣列具有豐富的活性位點(diǎn)以及顯著的多組分協(xié)同效應(yīng)，成功制備出了高性能纖維狀銨根離子贗電容負(fù)極。
該研究通過水熱和高溫氮化方法在碳納米管纖維表面合成具有核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的MoS2@TiN納米陣列(圖1a-d),其中，具有贗電容特性的MoS2納米片均勻致密的錨定在高導(dǎo)電性TiN納米線陣列表面。DFT模擬計(jì)算態(tài)密度(DOS)表明，由于這種獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，MoS2和TiN的導(dǎo)電性得到了明顯提升。
研究人員進(jìn)一步對(duì)銨根離子的存儲(chǔ)行為進(jìn)行了電化學(xué)研究（圖2）。相對(duì)于單一結(jié)構(gòu)和組分的TiN/CNTF、MoS2/CNTF電極材料，MoS2@TiN/CNTF展現(xiàn)出優(yōu)異的贗電容特性和高的容量(1044.3 mF cm-2, 4 mA cm-2)，這歸功于MoS2@TiN復(fù)合材料本身的三維分級(jí)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)。理論計(jì)算證明，高導(dǎo)電性TiN不僅改善了MoS2對(duì)NH4+的結(jié)合能力，而且由于NH4+的存在導(dǎo)致了MoS2@TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的電荷重新分布而形成內(nèi)建電場(chǎng)，進(jìn)一步提高了與NH4+的結(jié)合強(qiáng)度。
該研究組裝的基于MoS2@TiN/CNTF的準(zhǔn)固態(tài)纖維狀銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器（FAASC），表現(xiàn)出良好的機(jī)械柔性、電化學(xué)可逆性和典型的贗電容特性。在2 mA cm-2電流密度條件下，其比電容和能量密度分別達(dá)到了351.2 mF cm-2、195.1 μWh cm-2和2.0 V高的電勢(shì)窗口。
該工作揭示了自支撐的MoS2@TiN核殼異質(zhì)結(jié)陣列作為柔性FAASC器件負(fù)極材料的合理設(shè)計(jì)，展現(xiàn)出良好的機(jī)械柔韌性、高的比容量和寬的電勢(shì)窗口，促進(jìn)了高能密度可穿戴銨根離子非對(duì)稱超級(jí)電容器的進(jìn)一步發(fā)展。相關(guān)研究成果以Arrayed Heterostructures of MoS2 Nanosheets Anchored TiN Nanowires as Efficient Pseudocapacitive Anodes for Fiber-Shaped Ammonium-Ion Asymmetric Supercapacitors為題發(fā)表在ACS Nano上。
圖1 MoS2@TiN/CNTF合成及DOS圖
圖2 電極材料電化學(xué)性能測(cè)試及對(duì)NH4+吸附導(dǎo)致電荷重排模擬圖
圖3 FAASC器件電化學(xué)性能測(cè)試
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