纳米材料前沿研究成果精选【第8期】|二硫化钼专题

【引言】

MoS₂是一种典型的过渡族金属硫化物，由于其独特的层状结构和可控的电子特性，在纳米电子器件和电化学储能、催化上都有重要的应用。本文汇总了MoS₂纳米材料在储能、催化方面的8篇最新研究成果，包括Nat. Nanotechnol.、Energy Environ. Sci.等顶级期刊，如图1所示。

图1 期刊分布

【内容列表】

1、（戳一戳）☞二维MoS₂作为Li-S电池锂金属负极保护层 | 2D MoS₂as an efficient protective layer for lithium metal anodes in high-performance Li–S batteries

2、（戳一戳）☞三明治结构MoS₂/S/rGO纳米复合结构作为Li-S电池正极 | Sulfur film sandwiched between few-layered MoS₂ electrocatalysts and conductive reduced graphene oxide as a robust cathode for advanced lithium–sulfur batteries

3、（戳一戳）☞原位XAS探究MoS₂作为锂电池电极材料的反应机理 | Electrochemical Reaction Mechanism of the MoS₂ Electrode in a Lithium-Ion Cell Revealed by in Situ and Operando X-ray Absorption Spectroscopy

4、（戳一戳）☞少层MoS₂-纳米碳复合材料三维网络结构用于储锂和储钠 | Three-Dimensional Network Architecture with Hybrid Nanocarbon Composites Supporting Few-Layer MoS₂ for Lithium and Sodium Storage

5、（戳一戳）☞衍生自MOF结构的核壳Co₉S₈/MoS₂-CN纳米复合材料作为钠离子电池阳极材料 | 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）☞分层MoS₂/碳微球作为钠离子电池阳极材料 | Hierarchical MoS₂/Carbon microspheres as long-life and high-rate anodes for sodium-ion batteries

7、（戳一戳）☞MoS₂/TiO₂异质结构作为非金属等离子体光催化剂用于高效析氢 | MoS₂/TiO₂heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution

8、（戳一戳）☞多活性边缘单层MoS₂用于高效析氢 | Engineering active edge sites of fractal-shaped single-layer MoS₂catalysts for high-efficiency hydrogen evolution

【文献导读】

1、Nat. Nanotechnol.：二维MoS₂作为Li-S电池锂金属负极保护层

Li-S电池由于其极高的能量密度（~2600Whkg^-1）成为有望取代锂离子电池新一代能源装置，但是Li-S电池采用锂金属负极，锂活性太高，反应不稳定，表面容易生成枝晶和不受控制的SEI膜，因此大大降低了电极的库伦效率与循环稳定性。近日，美国北德克萨斯大学Wonbong Choi教授（通讯作者）等人将~10nm的二维 MoS₂包覆在锂金属负极外并进行锂化。层状MoS₂纳米结构以及其在锂化过程中的相变反应减少了负极材料的界面电阻，实现了包覆层紧密接触和较高的Li⁺传输效率。同时，MoS₂消除了锂枝晶的成核位点，减少了枝晶的形成。因此，这种Li-MoS₂作为负极材料构建的全电池测试中，获得了~589 Whkg^-1的比能量密度和1200次循环后，在0.5C下~98％的库仑效率。

文献链接：2D MoS₂ as an efficient protective layer for lithium metal anodes in high-performance Li–S batteries (Nat. Nanotechnol., 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0061-y)

2、J. Mater. Chem. A：三明治结构MoS₂/S/rGO纳米复合结构作为Li-S电池正极

Li-S电池体系在充放电过程中经历了多步电化学转换过程，其中硫正极会形成长链多硫化锂（Li₂S_n，4≤n≤8）中间体。这种具有穿梭效应的中间体和不导电的硫及其放电产物严重限制了Li-S电池的硫利用率和循环寿命，同时，硫向Li₂S的转化将引入~80％的体积膨胀，导致电极结构很快失效。因此，华东理工大学的龙东辉教授和凌立成教授（共同通讯作者）等人开发了一种新型MoS₂/S/rGO纳米复合结构作为Li-S电池正极。三者具有协同耦合效应，形成具有强大界面相互作用的稳定混合结构，可在循环过程中固定多硫化锂中间体。MoS₂作为电催化剂还可加速硫氧化还原反应，因此这种三明治结构具有优异的倍率性能和循环稳定性。这项工作整合了Li-S电池的正极缺陷，化学吸附和电催化概念，为建立多层正极结构提供了新思路。

文献链接：Sulfur film sandwiched between few-layered MoS₂ electrocatalysts 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作为锂电池电极材料的反应机理

MoS₂由于其类石墨的层状结构作为锂离子的负极材料有大量的研究，但是，MoS₂在锂电反应过程中的行为特征并没有详细完整的研究，关于MoS₂的锂电反应机理也有较大的争议。因此，近日，美国劳伦斯伯克利国家实验室的Elton J. Cairns和Jinghua Guo（共同通讯作者）等人结合实验和模拟计算完整地揭示了MoS₂电极材料的锂电反应机理。锂离子嵌入-嵌出MoS₂层状结构是可逆的，使MoS₂从2H相转变为1T相，并且伴有少量的锂残余。而之后的转化反应是不可逆的，Li₂S在第一次充电时转变为S，无法恢复为MoS₂。后续的反应更像Li-S电池的反应特征。该研究完善了MoS₂电极的电化学反应机理，有助于MoS₂或是其他硫化物在锂离子电池上的设计与应用。

文献链接：Electrochemical Reaction Mechanism of the MoS₂ Electrode 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：少层MoS₂-纳米碳复合材料三维网络结构用于储锂和储钠

近日，福州大学的詹红兵教授和中科院福建物构所的温珍海研究员（共同通讯作者）等人在氧化石墨烯和交联而成的中空碳球上原位生长MoS₂纳米片构建三维结构复合材料，作为储锂和储钠材料。三维多孔结构的设计缓冲了MoS₂材料在循环过程中的体积变化，多通道有利于电解液的扩散和离子的传输，碳材料增强了整个结构的导电性。由于克服了MoS₂材料体积变化率大易坍塌，导电性差和易堆叠等问题，整个三维结构复合电极材料表现出良好的电化学性能，其作为锂离子电池的阳极，在0.1Ag^-1电流条件下经过100次循环能保持1145mAhg^-1可逆容量，在2Ag^-1条件下经过1000次循环能保持753mAhg^-1可逆容量下。 对于钠离子电池，，在1 Ag^-1条件下经500次循环后也可以保持443 mAhg^-1的可逆容量。

文献链接：Three-Dimensional Network Architecture with Hybrid Nanocarbon Composites Supporting Few-Layer MoS₂ for Lithium and Sodium Storage (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08161)

5、J. Mater. Chem. A：衍生自MOF结构的核壳Co₉S₈/MoS₂-CN纳米复合材料作为钠离子电池阳极材料

过渡族金属硫化物由于其较高的理论容量值常被作为钠离子电池的负极材料进行研究，构建良好的纳米结构和与碳材料形成复合材料是两个提高其性能的主要途径。碳材料可以吸附和捕获多硫化物中间体，阻止穿梭效应，而纳米结构可以承受循环过程中的体积变化，从而延长金属硫化物电极的循环寿命。因此，中国石油大学（华东）的王荣明教授和康文裴博士（共同通讯作者）等人以ZIF-67为前驱体，制备了核壳Co₉S₈/MoS₂-CN纳米复合材料。这种多孔的复合材料促进快速Na⁺快速嵌入/嵌出，碳材料提高了整体的导电性并捕获多硫化物中间体，产生协同效应。因此，整个材料显示出了优异的钠储存性能。

文献链接：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：分层MoS₂/碳微球作为钠离子电池阳极材料

中国香港科技大学的Francesco Ciucci教授和Jang-Kyo KIM教授（共同通讯作者）等人利用简单的水热法合成了一种分层MoS₂/碳微球结构，由中间夹有碳层的三明治结构MoS₂纳米片组成。三维结构阻碍了MoS₂的聚集，碳材料的结合提高了材料的导电性。另外，等级多孔结构增强了表面积，增加了电化学反应的活性位置。 因此MoS₂/碳微球电极显示出极高的可逆容量和优异的倍率性能。此外，第一性原理计算表明，与MoS₂相比，MoS₂/碳异质界面使Na跃迁的能垒更小，带隙更低。这些新型的三维MoS₂结构为制造能够实现高倍率性能和长循环寿命的过渡金属硫化合物材料提供了新途径。

文献链接：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异质结构作为非金属等离子体光催化剂用于高效析氢

太阳能制备清洁化学燃料是解决全球环境问题的一个重点。TiO₂材料由于其稳定性好、价格低廉等优势已成为太阳光分解水的重要光催化剂。但TiO₂为宽禁带半导体，对太阳光吸收效率太低。因此，美国中佛罗里达大学的Yang Yang教授和美国太平洋西北国家实验室的Yingge Du研究员（共同通讯作者）等人结合PVD与CVD的方法将层状MoS₂纳米片涂敷在TiO₂纳米孔阵列内表面上并将其应用于太阳光分解水制氢中。这种异质结构在UV-vis-NIR范围内显示出强大的光子收集能力，显著提高了H₂产出效率。这种非金属等离子体激元异质结构也有望应用于其他2D材料系统，用作高效光催化剂。

文献链接：MoS₂/TiO₂ heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution (Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE02464A）

8、Nano Energy：多活性边缘单层MoS₂用于高效析氢

析氢反应是电化学水分解过程中的关键步骤，在实际应用中，需要高效，稳定易得的催化剂。二维层状MoS₂由于具有合适的吉布斯自由能可以较容易地吸附氢原子，因此可作为铂基催化剂的替代物。MoS₂的析氢活性来自其活性边缘位点，而(002)基底面具有催化惰性。但是直接合成边缘丰富的MoS₂纳米片仍然具有挑战性。近日，北京大学的戴伦教授、叶堉研究员和李彦教授（共同通讯作者）等人直接在熔融石英上合成了具有大拉伸应变的分形单层MoS₂，其具有大量的活性边缘位点。这是由大拉伸应变引起的，该材料优异的HER催化活性，为将来二维HER催化剂的设计与调控提供了新思路和新方法。

文献链接：Engineering active edge sites of fractal-shaped single-layer MoS₂ catalysts for high-efficiency hydrogen evolution (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.02.027）

本文由材料人编辑部纳米学术组小魔女供稿，材料牛整理编辑。

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