納米材料前沿研究成果精選第8期

【引言】

MoS2是一種典型的過渡族金屬硫化物，由於其獨特的層狀結構和可控的電子特性，在納米電子器件和電化學儲能、催化上都有重要的應用。本文匯總了MoS2納米材料在儲能、催化方面的8篇最新研究成果，包括Nat. Nanotechnol.、Energy Environ. Sci.等頂級期刊，如圖1所示。

圖1 期刊分布

【內容列表】

1、（戳一戳）二維MoS2作為Li-S電池鋰金屬負極保護層 | 2D MoS2as an efficient protective layer for lithium metal anodes in high-performance Li–S batteries

2、（戳一戳）三明治結構MoS2/S/rGO納米複合結構作為Li-S電池正極 | Sulfur film sandwiched between few-layered MoS2electrocatalysts and conductive reduced graphene oxide as a robust cathode for advanced lithium–sulfur batteries

3、（戳一戳）原位XAS探究MoS2作為鋰電池電極材料的反應機理 | Electrochemical Reaction Mechanism of the MoS2Electrode in a Lithium-Ion Cell Revealed by in Situ and Operando X-ray Absorption Spectroscopy

4、（戳一戳）少層MoS2-納米碳複合材料三維網路結構用於儲鋰和儲鈉 | Three-Dimensional Network Architecture with Hybrid Nanocarbon Composites Supporting Few-Layer MoS2for Lithium and Sodium Storage

5、（戳一戳）衍生自MOF結構的核殼Co9S8/MoS2-CN納米複合材料作為鈉離子電池陽極材料| A yolk–shelled Co9S8/MoS2-CN nanocomposite derived from a metal–organic framework as a high performance anode for sodium ion batteries

6、（戳一戳）分層MoS2/碳微球作為鈉離子電池陽極材料 | Hierarchical MoS2/Carbon microspheres as long-life and high-rate anodes for sodium-ion batteries

7、（戳一戳）MoS2/TiO2異質結構作為非金屬等離子體光催化劑用於高效析氫 | MoS2/TiO2heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution

8、（戳一戳）多活性邊緣單層MoS2用於高效析氫 | Engineering active edge sites of fractal-shaped single-layer MoS2catalysts for high-efficiency hydrogen evolution

【文獻導讀】

1、Nat. Nanotechnol.：二維MoS2作為Li-S電池鋰金屬負極保護層

Li-S電池由於其極高的能量密度（~2600Whkg-1）成為有望取代鋰離子電池新一代能源裝置，但是Li-S電池採用鋰金屬負極，鋰活性太高，反應不穩定，表面容易生成枝晶和不受控制的SEI膜，因此大大降低了電極的庫倫效率與循環穩定性。近日，美國北德克薩斯大學Wonbong Choi教授（通訊作者）等人將~10nm的二維 MoS2包覆在鋰金屬負極外並進行鋰化。層狀MoS2納米結構以及其在鋰化過程中的相變反應減少了負極材料的界面電阻，實現了包覆層緊密接觸和較高的Li+傳輸效率。同時，MoS2消除了鋰枝晶的成核位點，減少了枝晶的形成。因此，這種Li-MoS2作為負極材料構建的全電池測試中，獲得了~589 Whkg-1的比能量密度和1200次循環後，在0.5C下~98％的庫侖效率。

2、J. Mater. Chem. A：三明治結構MoS2/S/rGO納米複合結構作為Li-S電池正極

Li-S電池體系在充放電過程中經歷了多步電化學轉換過程，其中硫正極會形成長鏈多硫化鋰（Li2Sn，4≤n≤8）中間體。這種具有穿梭效應的中間體和不導電的硫及其放電產物嚴重限制了Li-S電池的硫利用率和循環壽命，同時，硫向Li2S的轉化將引入~80％的體積膨脹，導致電極結構很快失效。因此，華東理工大學的龍東輝教授和凌立成教授（共同通訊作者）等人開發了一種新型MoS2/S/rGO納米複合結構作為Li-S電池正極。三者具有協同耦合效應，形成具有強大界面相互作用的穩定混合結構，可在循環過程中固定多硫化鋰中間體。MoS2作為電催化劑還可加速硫氧化還原反應，因此這種三明治結構具有優異的倍率性能和循環穩定性。這項工作整合了Li-S電池的正極缺陷，化學吸附和電催化概念，為建立多層正極結構提供了新思路。

文獻鏈接：Sulfur film sandwiched between few-layered MoS2electrocatalysts and conductive reduced graphene oxide as a robust cathode for advanced lithium–sulfur batteries (J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA00222C)

3、Nano Lett.：原位XAS探究MoS2作為鋰電池電極材料的反應機理

MoS2由於其類石墨的層狀結構作為鋰離子的負極材料有大量的研究，但是，MoS2在鋰電反應過程中的行為特徵並沒有詳細完整的研究，關於MoS2的鋰電反應機理也有較大的爭議。因此，近日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Elton J. Cairns和Jinghua Guo（共同通訊作者）等人結合實驗和模擬計算完整地揭示了MoS2電極材料的鋰電反應機理。鋰離子嵌入-嵌出MoS2層狀結構是可逆的，使MoS2從2H相轉變為1T相，並且伴有少量的鋰殘餘。而之後的轉化反應是不可逆的，Li2S在第一次充電時轉變為S，無法恢復為MoS2。後續的反應更像Li-S電池的反應特徵。該研究完善了MoS2電極的電化學反應機理，有助於MoS2或是其他硫化物在鋰離子電池上的設計與應用。

文獻鏈接：Electrochemical Reaction Mechanism of the MoS2Electrode in a Lithium-Ion Cell Revealed by in Situ and Operando X-ray Absorption Spectroscopy (Nano Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05246)

4、ACS Nano：少層MoS2-納米碳複合材料三維網路結構用於儲鋰和儲鈉

近日，福州大學的詹紅兵教授和中科院福建物構所的溫珍海研究員（共同通訊作者）等人在氧化石墨烯和交聯而成的中空碳球上原位生長MoS2納米片構建三維結構複合材料，作為儲鋰和儲鈉材料。三維多孔結構的設計緩衝了MoS2材料在循環過程中的體積變化，多通道有利於電解液的擴散和離子的傳輸，碳材料增強了整個結構的導電性。由於克服了MoS2材料體積變化率大易坍塌，導電性差和易堆疊等問題，整個三維結構複合電極材料表現出良好的電化學性能，其作為鋰離子電池的陽極，在0.1Ag-1電流條件下經過100次循環能保持1145mAhg-1可逆容量，在2Ag-1條件下經過1000次循環能保持753mAhg-1可逆容量下。 對於鈉離子電池，，在1 Ag-1條件下經500次循環後也可以保持443 mAhg-1的可逆容量。

文獻鏈接：Three-Dimensional Network Architecture with Hybrid Nanocarbon Composites Supporting Few-Layer MoS2for Lithium and Sodium Storage (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08161)

5、J. Mater. Chem. A：衍生自MOF結構的核殼Co9S8/MoS2-CN納米複合材料作為鈉離子電池陽極材料

過渡族金屬硫化物由於其較高的理論容量值常被作為鈉離子電池的負極材料進行研究，構建良好的納米結構和與碳材料形成複合材料是兩個提高其性能的主要途徑。碳材料可以吸附和捕獲多硫化物中間體，阻止穿梭效應，而納米結構可以承受循環過程中的體積變化，從而延長金屬硫化物電極的循環壽命。因此，中國石油大學（華東）的王榮明教授和康文裴博士（共同通訊作者）等人以ZIF-67為前驅體，製備了核殼Co9S8/MoS2-CN納米複合材料。這種多孔的複合材料促進快速Na+快速嵌入/嵌出，碳材料提高了整體的導電性並捕獲多硫化物中間體，產生協同效應。因此，整個材料顯示出了優異的鈉儲存性能。

文獻鏈接：A yolk–shelled Co9S8/MoS2-CN nanocomposite derived from a metal–organic framework as a high performance anode for sodium ion batteries (J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA00493E)

6、J. Mater. Chem. A：分層MoS2/碳微球作為鈉離子電池陽極材料

中國香港科技大學的Francesco Ciucci教授和Jang-Kyo KIM教授（共同通訊作者）等人利用簡單的水熱法合成了一種分層MoS2/碳微球結構，由中間夾有碳層的三明治結構MoS2納米片組成。三維結構阻礙了MoS2的聚集，碳材料的結合提高了材料的導電性。另外，等級多孔結構增強了表面積，增加了電化學反應的活性位置。 因此MoS2/碳微球電極顯示出極高的可逆容量和優異的倍率性能。此外，第一性原理計算表明，與MoS2相比，MoS2/碳異質界面使Na躍遷的能壘更小，帶隙更低。這些新型的三維MoS2結構為製造能夠實現高倍率性能和長循環壽命的過渡金屬硫化合物材料提供了新途徑。

文獻鏈接：Hierarchical MoS2/Carbon microspheres as long-life and high-rate anodes for sodium-ion batteries (J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C7TA11119C)

7、Energy Environ. Sci.：MoS2/TiO2異質結構作為非金屬等離子體光催化劑用於高效析氫

太陽能製備清潔化學燃料是解決全球環境問題的一個重點。TiO2材料由於其穩定性好、價格低廉等優勢已成為太陽光分解水的重要光催化劑。但TiO2為寬禁帶半導體，對太陽光吸收效率太低。因此，美國中佛羅里達大學的Yang Yang教授和美國太平洋西北國家實驗室的Yingge Du研究員（共同通訊作者）等人結合PVD與CVD的方法將層狀MoS2納米片塗敷在TiO2納米孔陣列內表面上並將其應用於太陽光分解水制氫中。這種異質結構在UV-vis-NIR範圍內顯示出強大的光子收集能力，顯著提高了H2產出效率。這種非金屬等離子體激元異質結構也有望應用於其他2D材料系統，用作高效光催化劑。

文獻鏈接：MoS2/TiO2heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution (Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE02464A）

8、Nano Energy：多活性邊緣單層MoS2用於高效析氫

析氫反應是電化學水分解過程中的關鍵步驟，在實際應用中，需要高效，穩定易得的催化劑。二維層狀MoS2由於具有合適的吉布斯自由能可以較容易地吸附氫原子，因此可作為鉑基催化劑的替代物。MoS2的析氫活性來自其活性邊緣位點，而(002)基底面具有催化惰性。但是直接合成邊緣豐富的MoS2納米片仍然具有挑戰性。近日，北京大學的戴倫教授、葉堉研究員和李彥教授（共同通訊作者）等人直接在熔融石英上合成了具有大拉伸應變的分形單層MoS2，其具有大量的活性邊緣位點。這是由大拉伸應變引起的，該材料優異的HER催化活性，為將來二維HER催化劑的設計與調控提供了新思路和新方法。

文獻鏈接：Engineering active edge sites of fractal-shaped single-layer MoS2catalysts for high-efficiency hydrogen evolution (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.02.027）

本文由材料人編輯部納米學術組小魔女供稿，材料牛整理編輯。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！