Scientific Reports最近发表的一篇文章提出，采用逐层法在二氧化硅（SiO2）模板上制造三维（3D）MoS2/氧化石墨烯（MoS2/GO）复合材料，作为高性能钠离子电池的阳极。
背景介绍
实现可持续能源需要高效的可再生能源。钠离子电池（SIB）的反应机理与锂离子电池（LIB）相似。因此，由于地球上的钠储量充足，钠离子电池有望成为锂离子电池在储能系统中的替代品。
然而，由于动力学过程缓慢和能量密度较低，SIB 的商业应用受到抑制，因此需要具有高电导率、快速钠离子（Na+）扩散途径和耐用结构的阳极材料。
二维（2D）层状过渡金属瑀（如 MoS2）具有高理论容量和层状结构，可用于 Na+ 插层/萃取，因此是极具吸引力的 SIB 阳极材料。然而，MoS2 的低电导率、缓慢的 Na+ 扩散以及充电/放电过程中的巨大体积变化限制了其速率能力和循环稳定性。
添加具有良好光学、电学和机械特性的碳质元素（如 GO）可以克服这些限制。因此，本研究以氨基功能化的二氧化硅纳米球为模板，制备了层状三维 MoS2/GO。
制备方法
以氨基官能化的 SiO2 纳米球（直径 100 nm）为模板，然后用 GO 包裹。表面带负电荷的 GO 可与带正电荷的 SiO2 纳米球发生静电作用。GO 是用 Hummer 方法合成的。
用 (NH4)6Mo7O24-4H2O 和 CS2 修饰了包裹 GO 的 NH2-SiO2 模板。随后，用氢氟酸消除 SiO2 纳米球，得到三维 MoS2/GO。此外，还使用相同的方法合成了三维 MoS2（不含 GO）和二维 MoS2/GO（不含 SiO2），以进行比较。
制备的材料通过高分辨率扫描电子显微镜 (HRSEM)、高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM)、X 射线衍射 (XRD)、拉曼光谱和 X 射线光电子能谱 (XPS) 进行了表征。
通过组装具有 CR2032 纽扣电池外壳的电池，检验了这些材料的电化学性能。制备的材料与乙炔黑和聚偏氟乙烯粘合剂混合后粘贴在铜箔上，用作阳极。金属钠片用作对电极和参比电极，玻璃纤维膜用作隔膜，NaClO4 用作电解质。
在电池测试装置上记录了静电放电/充电测量结果。使用电化学工作站进行了高环伏安法（CV）和电化学阻抗谱法（EIS）测量。
结果与讨论
表征结果证实成功合成了三维 MoS2/GO 复合材料。SEM 图像显示，SiO2 纳米球表面光滑无纹理，嵌入氨基酸分子后变得粗糙，随后在 GO 和 NH2-SiO2 自组装后被皱褶的 GO 片覆盖。
HRTEM 图像显示，三维 MoS2/GO 具有均匀的三维泡沫结构，为 Na+ 扩散和附着提供了高比表面积。这种微孔结构中丰富的通道促进了电解质与电极之间的相互作用，有利于电解质的渗透。
三维 MoS2/GO 的 XRD 光谱显示了与 2H-MoS2 相对应的主峰，以及表示石墨碳的弱峰。因此，三维 MoS2/GO 保留了 MoS2 的层状结晶性和衍射峰。此外，拉曼光谱证实了三维 MoS2/GO 中存在 GO。值得注意的是，三维 MoS2/GO 的 XPS 光谱与三维 MoS2 相似，验证了三维 MoS2/GO 中 MoS2 成分的一致性。
热重分析表明，二维 MoS2/GO、三维 MoS2 和三维 MoS2/GO 中的 MoS2 含量分别约为 62.58%、69.13% 和 51.47%。此外，三维 MoS2/GO 和三维 MoS2 显示出比二维 MoS2/GO 更高的比表面积，这证实了它们丰富的多孔结构源于二氧化硅纳米球模板。
在第一次充电时，三维 MoS2/GO 的 CV 曲线在 1.88 V 处出现了一个明显的氧化峰，这是由于 Mo 与部分 Na2S 氧化形成了 MoS2。随后的放电/充电曲线（第二次到第五次）几乎重合，表明 Na+ 在三维 MoS2/GO 中具有良好的可逆性和循环稳定性。
三维 MoS2/GO 复合材料在钠化/解钠过程中具有很高的循环稳定性，从第 40 个循环到第 100 个循环的充放电曲线几乎重叠。EIS 测量进一步证实，与其他 MoS2/碳基复合材料相比，三维 MoS2/GO 电极具有出色的循环稳定性。
研究结论
研究人员利用二氧化硅纳米球模板，采用逐层法成功合成了三维 MoS2/GO。三维大孔结构具有丰富的扩散通道和高比表面积。它作为 SIB 的电极表现出超强性能，库仑效率高达 99.99%。
三维 MoS2/GO 的优异速率性能和循环稳定性归功于其独特的三维结构，这种结构具有丰富的传输通道，在充放电过程中体积变化较小，而且 MoS2 和 GO 之间的紧密接触产生了高导电性。
研究人员认为，这种合成策略可应用于其他过渡金属硫化物，从而为开发高性能 SIB 的替代电极材料做出潜在贡献。
期刊参考
Yang, Y., Zheng, F., Wang, L., Liu, Y. (2024). 3D MoS2/graphene oxide integrated composite as anode for high-performance sodium-ion batteries. Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-024-69959-3, https://www.nature.com/articles/s41598-024-69959-3
本文来自AZoM，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
