TiO2@Carbon@MoS2多级三层纳米管的构筑及其在锂离子电池中的应用

为了满足社会对高能量密度和长寿命锂离子电池的迫切需求，研究人员致力于开发新型高性能的电池负极材料。MoS₂作为典型的二维材料具有很高的理论容量，是潜在的锂离子电池负极材料。然而，MoS₂电极在充放电过程中体积变化大，导致容量快速衰减；同时，其低导电率也限制了倍率性能，构筑基于MoS₂的复合材料是克服MoS₂电极上述缺陷的一个有效的策略。TiO₂电极在循环过程中体积变化小，被认为是合适的载体材料或保护层，用于构筑MoS₂和TiO₂的复合电极材料。但由于材料自身的导电率较低、锂离子传输动力学缓慢以及循环过程中较明显的体积变化，已开发的MoS₂和TiO₂复合电极材料的锂电存储性能仍需进一步提高。碳材料因具有优异的导电性已广泛应用于电极材料，而氮掺杂可以进一步提高其电化学性能。另一方面，近年来的研究表明，多级空心纳米结构可有效缓解电化学过程中的体积形变、缩短锂离子和电子的传输距离，并增加活性位点与电解液之间的接触面积，在电化学能源转化与储存中表现出显著的优势。

近日，新加坡南洋理工大学的楼雄文教授（点击查看介绍）团队将上述策略进行优势整合，通过在模板MnO₂纳米线上连续包覆TiO₂和氮掺杂碳（NC）合成了TiO₂@NC双层纳米管。随后，他们在TiO₂@NC纳米管上组装一层超薄MoS₂纳米片，构筑了TiO₂@NC@MoS₂多级三层纳米管。在构筑的多级三层管状纳米结构中，内层TiO₂纳米管可以有效缓解电极在充放电过程中的体积形变、缩短锂离子的传输路径；中间氮掺杂碳层可提高电极的导电性、维持电极的整体形貌、抑制外层MoS₂纳米片的团聚；外层超薄MoS₂纳米片可以增大电极和电解液的接触面积、促进电子和锂离子的传输。复合电极中三种功能材料的协同作用在锂电存储中表现出优异的性能。

图1. TiO₂@NC@MoS₂多级三层纳米管的合成示意图。

图2. （a）（b） MnO₂@TiO₂纳米线；（c）（d）MnO₂@TiO₂@PDA纳米线；（e）（f） TiO₂@NC纳米管的扫面和透射电镜图像。

图3.（a-c）TiO₂@NC@MoS₂纳米管的扫面电镜图像；（d-f）（g-i）煅烧后TiO₂@NC@MoS₂纳米管的扫面和透射电镜图像。

图4. TiO₂@NC@MoS₂多级三层纳米管的锂电存储性能。

这一成果近期发表在Advanced Materials上，第一作者是新加坡南洋理工大学的汪思波博士，通讯作者是楼雄文教授。

该论文作者为：Sibo Wang, Bu Yuan Guan, Le Yu, and Xiong Wen (David) Lou

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Rational Design of Three-layered TiO₂@Carbon@MoS₂ Hierarchical Nanotubes for Enhanced Lithium Storage

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702724

导师介绍

楼雄文

http://www.x-mol.com/university/faculty/35053

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