Composto de MoS2 / Acetileno com poucas camadas como um ânodo eficiente para baterias de íon-lítio

Resumo

Novo MoS ₂ / acetileno preto (AB) foi desenvolvido usando um método hidrotérmico de etapa única. Uma caracterização sistemática revelou um MoS ₂ ultrafino de poucas camadas crescido na superfície de AB. A inclusão de AB foi encontrada para aumentar a capacidade do composto e atingir a capacidade de descarga de 1813 mAhg ⁻¹ .

Histórico

A bateria de íon de lítio (LiB) tem sido uma das mais importantes tecnologias de armazenamento de energia recarregável usada em uma variedade de dispositivos eletrônicos portáteis, como laptops e telefones celulares. No cenário atual de aumento da poluição e esgotamento de combustível fóssil, a perspectiva da comunidade de pesquisa para veículos elétricos com fonte de energia (VEs) LiB tem aumentado. Os EVs de desempenho dependem muito do desempenho dos LiBs em termos de capacidade e ciclabilidade. Grafite, um material anódico amplamente utilizado para LiBs comerciais [1], ofereceu uma grande quantidade de melhorias em comparação com os materiais anódicos de Li puros e carbonáceos mais antigos. Mas, a capacidade teórica limitada de grafite (372 mAhg ⁻¹ ) pede uma substituição para aumentar a capacidade do LiB. Tem havido bastante pesquisa sobre o aprimoramento de materiais anódicos para atingir alta capacidade específica e ciclabilidade. Após a inclusão de supermaterial ‘grafeno’ em LiBs, a capacidade alcançada foi considerada duas vezes maior que a de grafite [2, 3]. Enquanto procura outras alternativas, MoS ₂ foi considerado um candidato promissor com alta capacidade, facilidade de preparação e expansão de baixo volume [4]. MoS ₂ envolve a reação de transferência de quatro elétrons ao hospedar íons de lítio, permitindo a capacidade de até 669 mAhg ⁻¹ . Embora a maior parte do MoS ₂ não oferece muitas propriedades eletroquímicas interessantes para o armazenamento de Li, as partes contrárias nanoestruturadas do mesmo oferecem propriedades mais interessantes, coletando, portanto, o grande interesse crescente. Embora existam poucos materiais nanoestruturados como carbono, silício [5], estanho [6] e dióxido de estanho [7], MoS ₂ supera estes em termos de capacidade de taxa e retenção de capacidade junto com viabilidade econômica. Apesar de várias características proeminentes, MoS ₂ como tal, não pode ser empregado como material anódico comercial em LiBs devido à sua baixa condutividade eletrônica intrínseca e grande expansão e contração após litiação e delitiação resultando em pulverização e perda de contato elétrico [8,9,10]. Estes, por sua vez, resultam em baixa ciclabilidade e dinâmica do MoS ₂ armazenamento de lítio. Várias estratégias têm sido trabalhadas para eliminar essas desvantagens. Eles são MoS ₂ nanoestruturas com morfologias variadas, MoS ₂ / híbridos de polímero condutor [1, 11] e MoS ₂ / nanocompósitos de carbono [12,13,14]. Recentemente, MoS ₂ / materiais de carbono foram considerados atraentes devido às suas capacidades tão altas [15, 16] quanto 1000 a 1100 mAhg ⁻¹ . O presente trabalho de pesquisa trata da preparação de um novo MoS de poucas camadas ₂ / AB material composto usando um negro de fumo bem conhecido, mas negligenciado, negro de acetileno, como substrato condutor. Além de possuir alta relação entre área de superfície e volume, ele exibe uma interação curiosamente muito boa com os eletrólitos [17]. Também é bem conhecido por sua capacidade de ligação e usado na preparação de boas tintas para fazer eletrodos de carbono, fornecendo capacidade de ligação junto com boa condutividade eletrônica. O estudo demonstra não apenas AB como um bom substrato condutor, mas também como um melhor material de nucleação para a preparação de MoS de poucas camadas altamente cristalino ₂ . A caracterização sistemática e a aplicação do material como ânodo em LiB levam a atingir ~ 1813 mAhg ⁻¹ . Até onde sabemos, esta é a primeira vez que algumas camadas do MoS ₂ / AB composto tem sido usado como um material de ânodo para atingir alta capacidade específica.

Métodos

Síntese

O MoS de poucas camadas ₂ / AB compósito foi preparado usando o método hidrotérmico de vaso único fácil. Neste, 1 mmol de Na ₂ MoO ₄ 2H ₂ O e 5 mmol de tioureia foram dissolvidos em 60 ml de água à qual foram adicionados 100 mg de AB. Esta solução foi ultra-sônica por 30 min para se obter uma solução homogênea que foi mantida a 210 ° C por 24 h em uma autoclave. O material resultante foi filtrado, lavado minuciosamente com água e seco a 100 ° C sob vácuo durante 12 h. Geralmente, junto com o material ativo, um carbono condutor (negro de acetileno) será usado junto com um aglutinante de polímero como o fluoreto de polivinilideno para fazer uma tinta. No presente estudo, AB é usado como um substrato condutor e substrato de nucleação para cultivar MoS com poucas camadas ₂ . Portanto, o uso de 10% extras de carbono condutor é omitido no método de preparação da tinta. Em resumo, MoS ₂ / AB composto juntamente com 10% em peso de PVDF foi levado para um béquer, a este álcool isopropílico, e a mistura de NMP foi adicionada para dispersar usando ultra-som. Uma pasta uniformemente dispersa foi preparada assim e então foi revestida por pulverização sobre uma folha de Cu. O eletrodo foi seco a 120 ° C sob vácuo durante a noite para remover vestígios de solventes usados. O eletrodo consistia em 0,728 mg / cm ² de material ativo.

Caracterizações de materiais

O padrão de difração do material foi caracterizado por uma técnica de difração de raios-X de pó (Smart Lab X-Ray Diffractometer, Rigaku) com radiação Cu Kα (λ =0,154 nm, na faixa 2θ de 10 ° -70 ° com um tamanho de etapa de 0,005 °). A análise elementar do material foi estudada usando a técnica de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) realizada no instrumento S-Probe ™ 2803. A caracterização morfológica foi feita por meio de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HR-TEM) no modelo Hitachi H-7650. A amostra TEM foi preparada despejando uma solução metanólica contendo um composto bem disperso em uma grade de cobre revestida com carbono.

Resultados e discussão

O padrão de difração do material preparado é mostrado na Fig. 1a. O pico fraco e alargado em 25 ° a 28 ° pode ser atribuído ao carbono (002). Todos os outros picos agudos e distintos implicam na pureza de fase e alta cristalinidade. Esses picos concordam bem com o MoS hexagonal ₂ aviões [2]. A média c -altura de empilhamento foi calculada usando a equação de Scherrer ( kλ / β cos θ ) onde k é o fator de forma, λ é o comprimento de onda do raio X, β é a largura total na metade do máximo (FWHM) do pico (002) de MoS ₂ e θ é a posição de pico. O c calculado - a altura de empilhamento foi de 5 nm, consistindo de cinco a seis camadas de MoS ₂ . Análise elementar de MoS ₂ / AB composto foi executado usando XPS. A amostragem para XPS foi realizada por drop casting do material em folha de Cu. O espectro de pesquisa XPS (Fig 1b) indicou a presença de Mo, S, C e uma pequena quantidade de O. A razão Mo:S comprovou estequiométrico do material para estar na forma de MoS ₂ . A composição também confirmou o MoS ₂ :AB como 8:2; em outras palavras, a quantidade de AB no composto era de 20%. A deconvolução do pico de alta resolução (Fig. 1c) do molibdênio revelou dois picos em 231,3 e 228,2 eV correspondentes a 3d _3/2 em 3d _1/2 de Mo (IV). A ausência de qualquer outro pico 3d confirma a ausência de outros estados de oxidação mais elevados do Mo; em outras palavras, a ausência de óxido de Mo era evidente. A porcentagem do átomo de oxigênio no MoS ₂ / AB e AB são considerados iguais. Portanto, este oxigênio pode ser atribuído apenas às porções funcionais de AB, que por sua vez reitera a ausência de formas de óxido de Mo. Os picos de sulfeto em 161 e 162,1 eV representam o 3p _1/2 e 3p _3/2 de sulfeto (Fig. 1d). Isso confirma a presença de MoS puro ₂ no composto. As características morfológicas do MoS ₂ / AB composto foram estudados usando TEM. A Figura 2a mostra a morfologia altamente interconectada de AB, e a Fig. 2b mostra AB finamente em camadas e camadas 2D transparentes como grafeno são expostas nas bordas. Micrografias TEM (Fig. 2c, d) mostram que o MoS ₂ / AB é de natureza em camadas com algumas camadas de MoS ₂ junto com a natureza interconectada de AB funcionando o tempo todo como um fio de conexão. A morfologia do MoS ₂ camadas têm uma estrutura semelhante a uma flor, e o tamanho das partículas foi encontrado em cerca de 650 nm, distribuídos em uma rede de AB. Com isso, é muito claro que a proporção do MoS ₂ em relação ao tamanho de partícula de AB é muito alto, o que torna AB um ligante condutor muito bom. A alta relação entre área de superfície e volume do AB torna-o uma rede condutora uniforme distribuída pelo MoS ₂ matriz mesmo com apenas 20% em peso. A Figura 2d também corrobora os resultados semelhantes aos de XRD mostrando cinco a seis camadas de MoS ₂ . Como foi descoberto que AB tinha muitos defeitos estruturais e funcionais, pode-se esperar que a nucleação intensificada forme camadas uniformes e mais dispersas tendo AB como condutor de uma espinha dorsal. A presença de AB também restringe muito a natureza de poucas camadas do MoS ₂ de reembalagem.

( a ) Padrões de difração de XRD para MoS ₂ / AB e AB bruto. ( b ) Espectro de pesquisa XPS mostrando a presença de Mo, S, C e O. c Espectros de alta resolução do pico Mo 3d e d S 2p

Micrografias TEM de a AB mostrando morfologia interconectada. b Natureza altamente estratificada de AB. c MoS ₂ nanocristal mostrando morfologia semelhante a uma flor. d Morfologia em camadas e transparente de MoS ₂ com inserção mostrando uma visão próxima de algumas camadas de MoS ₂ no composto preparado

Para entender o desempenho eletroquímico do MoS de poucas camadas ₂ / Composto AB, especialmente para estudar o efeito de MoS altamente esfoliado ₂ e AB até a capacidade, foram realizados testes de descarga de carga galvanostática em um tipo de célula tipo moeda convencional. A meia célula foi feita usando folha de Li como cátodo e como preparado MoS ₂ / AB composto como ânodo separado por um separador celgard® e sal de LiTFSI 0,1 M em EC:DEC foi usado como eletrólito. A descarga de carga foi feita a uma taxa de 0,090 mA entre 2,10 e 0,03 V. A Figura 3a mostra as curvas de descarga de carga para o mesmo. As curvas de descarga de carga típicas foram observadas no caso de MoS ₂ / AB composto. O platô em cerca de 1,0 V vs Li / Li ⁺ representa a inserção de lítio.
$$ Mo {S} _2 + xL {i} ^ {+} + x {e} ^ {-} \ para L {i} _x Mo {S} _2 $$

a Curva de descarga de carga para 10 ciclos (esquerda) e b eficiência coulômbica e capacidade específica vs número de ciclo (direita)

O platô inferior ocorrendo em 0,6 V vs Li / Li ⁺ pode ser atribuído ao processo de reação de conversão, que primeiro envolve a decomposição in situ reversível de MoS ₂ em Mo metálico incorporado em um Li ₂ Matriz S e / ou resultando na camada de polímero semelhante a gel da eletrodegradação do eletrólito. Ambos esses planaltos potenciais desaparecem após os primeiros ciclos. Na curva de delitiação, um pequeno mas conspícuo platô é visto em torno de 1,7 V, e é típico para fase altamente cristalina de MoS ₂ no composto. Conforme mostrado na Fig. 3a, o composto deu uma capacidade de primeira litiação enormemente alta de 4086 mAhg ⁻¹ , e então, a capacidade reversível foi encontrada em cerca de 1813 mAhg ⁻¹ . A Figura 3b mostra a eficiência coulômbica e capacidade específica vs número de ciclos. Seguindo seu primeiro ciclo, o MoS ₂ / O eletrodo composto AB mostrou um comportamento reversível de carga / descarga, exibindo uma capacidade estável de cerca de 1813 mAhg ⁻¹ com eficiência coulômbica de> 95%. A capacidade reversível do presente material é 523 mAhg ⁻¹ superior ao do material do campeonato até à data. As capacidades aprimoradas podem ser atribuídas aos seguintes fatores:(i) MoS altamente esfoliado e com poucas camadas ₂ , (ii) efeito sinérgico entre MoS de poucas camadas ₂ e AB em camadas, (iii) litiação e delitiação melhoradas devido à presença de AB com alta absortividade de eletrólito, e (iv) condutividade eletrônica melhorada com a introdução de AB.

Conclusões

Em conclusão, o presente trabalho de pesquisa inclui a preparação de um novo MoS de poucas camadas ₂ / material composto de preto de acetileno em um método hidrotérmico muito simples. Um material preparado foi sistematicamente caracterizado para compreensão da morfologia e composição química. O material foi fabricado como um eletrodo e as caracterizações de carga / descarga em uma meia célula anódica LIB foram realizadas para elucidar o comportamento da capacidade da mesma. Os estudos foram conduzidos em uma configuração de célula tipo moeda convencional usando uma configuração de meia-célula. Os resultados obtidos prevêem o material compósito preparado como um candidato promissor como um material anódico eficiente para LIBs. Até onde sabemos, as capacidades alcançadas de 1813 mAhg ⁻¹ com o composto estão liderando o contingente de todos os outros MoS ₂ -materiais de base familiar até à data.

Efeito do eletrodo ITO pulverizado em ângulo oblíquo nas estruturas de células solares de MAPbI3 perovskita Evolução morfológica de Si com padrão de poço (001) Substratos impulsionados pela redução de energia de superfície

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias