李清文、张其冲等: 二硫化钼/氮化钛异质结阵列构筑高性能纤维状铵根离子赝电容负极

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铵根离子作为非金属离子，具有安全性高、摩尔质量低、水合离子半径小、离子电导率高、资源丰富等特点，在可穿戴水系超级电容器中表现出较大的优势。高能量密度柔性铵根离子非对称超级电容器的应用前景广阔，但由于缺乏高容量的赝电容负极相关研究，发展高能量密度的铵根离子非对称超级电容器仍具有挑战性。近日，中科院纳米所李清文和张其冲等提出将MoS2@TiN异质结阵列直接生长在碳纳米管纤维上（MoS2@TiN/CNTF）,由于该异质结阵列具有丰富的活性位点以及显著的多组分协同效应，成功制备出高性能纤维状铵根离子赝电容负极。
　　如图1所示，通过水热和高温氮化方法在碳纳米管纤维表面合成具有核壳异质结构的MoS2@TiN纳米阵列(图1a-d), 其中，具有赝电容特性的MoS2纳米片均匀致密的锚定在高导电性TiN纳米线阵列表面。DFT模拟计算态密度(DOS)表明，由于这种独特的异质结构协同作用，MoS2和TiN的导电性得到了明显提升。 　　

　　图1. MoS2@TiN/CNTF合成及DOS图

　　其次，对铵根离子的存储行为进行了电化学研究（图2）。相对于单一结构和组分的TiN/CNTF、MoS2/CNTF电极材料，MoS2@TiN/CNTF展现出优异的赝电容特性和高的容量(1044.3 mF cm-2, 4 mA cm-2)，这归功于MoS2@TiN复合材料其本身的三维分级结构的协同效应。另外，理论计算证明，高导电性TiN不仅改善了MoS2对NH4+的结合能力，而且由于NH4+的存在导致了MoS2@TiN异质结构界面处的电荷重新分布而形成内建电场，进一步提高了与NH4+结合强度。

　　图2. 电极材料电化学性能测试及对NH4+吸附导致电荷重排模拟图

　　最后，组装基于MoS2@TiN/CNTF的准固态纤维状铵根离子非对称超级电容器（FAASC），表现出良好的机械柔性、电化学可逆性和典型的赝电容特性。在2 mA cm-2电流密度条件下，其比电容和能量密度分别达到了351.2 mF cm-2，195.1 μWh cm-2和2.0 V高的电势窗口。

　　图3. FAASC器件电化学性能测试

　　这项工作揭示了自支撑的MoS2@TiN核壳异质结阵列作为柔性FAASC器件负极材料的合理设计，展现出良好的机械柔韧性、高的比容量和宽的电势窗口，极大地促进了高能密度可穿戴铵根离子非对称超级电容器的进一步发展。相关工作以Arrayed Heterostructures of MoS2 Nanosheets Anchored TiN Nanowires as Efficient Pseudocapacitive Anodes for Fiber-Shaped Ammonium-Ion Asymmetric Supercapacitors为题发表在ACS Nano上。南京航空航天大学硕士韩力杰和中科院苏州纳米所博士后罗杰博士为论文的第一作者，苏州纳米所的李清文研究员、张其冲项目研究员和南京航空航天大学张校刚教授为本文的通讯作者，该工作得到中科院“率先行动”引才计划和江苏省自然科学基金等资助。
       论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05905
      


       文章来源：苏州纳米所
        李清文，中科院“百人计划”研究员，博士生导师，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副所长。获国务院政府特殊津贴（2015）、江苏省333工程第二层次培养对象（2016）、江苏省科技进步三等奖（2014）、苏州工业园区领军人才（2011）、江苏省创新创业人才（2009）等。国际著名“Carbon”和“Advanced electronic materials”杂志编委。2000年获得清华大学化学系博士学位；2001/3-2007/12间分别在北京大学化学系、英国剑桥大学材料系和美国Los Alamos 国家实验室以博士后和助理研究员身份从事碳纳米管制备与应用研究。2008/1回国致力于纳米碳低成本可控制备、多级结构加工以及纳米碳宏观体在功能复合材料和能源方面应用研究，曾主持和参与多项科技部纳米专项、基金委重点及面上、江苏省成果转化重点项目、总装预研重点项目等，高纯度半导体碳纳米管分离、碳纳米管纤维与薄膜连续制备技术等已成功获得技术转化，相关成果在Nature、Nature materials、Nature nanotechnology, Adv. Mat., JACS, ACS Nano, Small等著名国际期刊上发表学术论文100余篇，引用次数逾4000次，获得授权发明专利30余项。
         张其冲，博士，现任中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。2017年于同济大学获得物理学博士学位，主要从事水系电化学纳米材料的合成和纤维状功能器件的研制， 2018年至2021年在新加坡南洋理工大学担任研究员，2021年入选中国科学院“百人计划”并任职中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。长期致力于纤维状水系储能器件的开发工作，系统研究了高性能纳米材料在高曲率纤维表面的原位组装，通过调控纳米材料的微观结构、缺陷、构筑异质结构、改善电极/电解液界面反应动力学条件和构建新型器件结构，发展出了一系列高能量密度、高稳定性的纤维状水系储能器件，并在Advanced Materials, Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy, Advanced Science, Energy Storage Materials等学术期刊发表论文80余篇，H因子33，ESI高被引论文9篇，论文引用3100余次, 编写1部英文专著。