Fabrication facile de MoSe2 nanostructuré à quelques couches ancrées sur du carbone dopé N en tant que matériau d'anode supérieur pour les condensateurs hybrides ion-potassium hautes performances (2023)

Les ressources énergétiques et l'environnement sont devenus deux des problèmes les plus urgents de l'ère actuelle en raison de la croissance de la société et de la demande croissante d'énergie [1], [2]. Et pour résoudre ces problèmes, des technologies énergétiques propres et durables doivent être développées, ce qui nécessite de nouvelles solutions de stockage d'énergie et de nouveaux dispositifs de stockage d'énergie. Les condensateurs hybrides ion potassium (PIHC) offrent le meilleur des batteries métal-ion et des supercondensateurs, ce qui les rend très attractifs pour les chercheurs [3], [4], [5]. De plus, les PIHC présentent les avantages d'être très denses en énergie/puissance ainsi que d'être très stables, ce qui en fait une alternative supérieure aux batteries lithium-ion (LIB), dont le développement et l'application ont été limités principalement en raison de la des coûts croissants, conséquence de l'abondance et de la répartition des ressources en lithium sur cette planète [6], [7], [8], [9]. D'autre part, le sodium et le potassium ont les mêmes propriétés électrochimiques que le lithium et ont également fait l'objet de recherches intensives en tant qu'alternatives attrayantes aux LIB en raison de leurs propriétés électrochimiques similaires. Il convient également de noter que les ions potassium ont un potentiel d'électrode standard inférieur à celui des ions sodium (K⁺/K-2.93Vcontre.Déjà⁺/Na -2.71V), indiquant une fenêtre de potentiel plus large ainsi qu'une densité d'énergie supérieure. Néanmoins, le grand rayon ionique du potassium (1,38 Å) conduit à une réversibilité électrochimique lente, ce qui limite la gamme de matériaux d'électrode disponibles. Il sera considérablement plus difficile d'étudier les matériaux d'anode appropriés avec de grandes capacités, des durées de vie de cycle prolongées et d'excellentes performances de taux de cyclage à l'avenir pour réaliser leur utilisation pratique [10], [11], [12].

En raison de leurs avantages de stabilité chimique, de conductivité électronique et de structure en couches, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) ont suscité à plusieurs reprises l'intérêt des chercheurs dans le stockage d'énergie électrochimique [13], [14], [15], [16]. La structure sandwich unique, la haute réversibilité et la haute disponibilité du séléniure de molybdène (MoSe₂) en font l'un des TMDC les plus populaires pour être utilisé comme matériau d'anode dans les batteries métal-ion. En particulier, son large espacement entre les couches dans le plan (002) de la structure facilite l'insertion rapide des ions potassium et les canaux de migration, tamponnant ainsi le changement de volume qui se produit lors des processus répétés de potassiation et de dépotassiation, ce qui est hautement souhaitable pour les batteries aux ions potassium (PIB) et les PIHC [17], [18], [19]. Cependant, la faible conductivité électronique et l'agglomération des nanofeuillets lors du cyclage entraînent une capacité de stockage d'énergie insatisfaisante [20]. De plus, l'expansion volumique massive lors des réactions électrochimiques est un autre défi [18], [21]. C'est une stratégie précieuse pour résoudre les problèmes ci-dessus en utilisant des matériaux en carbone dans les composites avec MoSe₂. Une augmentation significative de la conductivité du MoSe₂pourrait être atteint grâce à l'introduction de carbone, en plus d'une réduction efficace de l'expansion volumique. Wang et al. a créé une structure noyau-enveloppe unique pour MoSe₂/C application aux PIB en forme de pistache. En raison des avantages du carbone, les matériaux d'électrode résultants affichent une excellente stabilité au cyclage [18]. De plus, le MoSe bidimensionnel₂des nanofeuilles ont été déposées sur des feuilles de carbone dopées à l'azote pour améliorer les performances de stockage du potassium. L'hétérostructure bidimensionnelle unique a fourni un champ électrique intégré qui a efficacement favorisé K⁺la diffusion et des liaisons chimiques fortes ont amélioré la résistance mécanique de l'électrode pour inhiber l'expansion de volume. La batterie a une capacité réversible de 247 mAh g^-1plus de 4800 cycles [22]. Chong et al. MoSe fabriqué₂Composites /rGO avec MoSe à ancrage moléculaire₂des nanofeuillets pour booster la cinétique des réactions électrochimiques [23]. En utilisant des techniques solvothermiques et de recuit, Ge et al. pourrait produire des composites à partir de MoSe recouvert de carbone₂nanofeuillets /N-C par synthèse solvothermique. Il offre des performances de débit remarquables et une capacité de stabilisation de cycle prolongée en tant que matériau d'anode pour les PIB [24]. De plus, il a été démontré que la conception d'un MoSe à quelques couches₂peut améliorer les performances de vitesse de la réaction de K⁺en améliorant sa cinétique. Liuet coll.MoSe encapsulé fabriqué avec succès₂@hollow carbon nanosphere (HCN) via une stratégie simple. La structure du MoSe hybride₂@hollow est formé en confinant MoSe₂nanofeuillets dans la cavité interne du HCN. Il démontre une vitesse remarquable, des performances de cycle ultra-long et une efficacité coulombique brillante lorsqu'il est utilisé dans des batteries sodium-ion [19]. Les stratégies ci-dessus peuvent améliorer la capacité de stockage d'énergie et améliorer la stabilité du cycle. Atteindre la stabilité cyclique à long terme à grands courants reste un défi [25]. Récemment, les composés carbonés poreux ont suscité beaucoup d'intérêt pour le stockage d'énergie, qui non seulement possèdent les avantages des matériaux carbonés, mais réduisent également efficacement la distance de transport ion/charge et stimulent la dynamique de stockage d'énergie [26], [27]. De plus, le soulagement de l'expansion volumique est un autre avantage des structures poreuses pour réaliser des dispositifs PIC pratiques avec des performances satisfaisantes.

Dans cette étude, nous décrivons un procédé hydrothermique simple pour produire des nanofeuilles de MoSe₂ancré au carbone poreux avec dopé N (MoSe₂/NC). De plus, MoSe₂Les composites /NC peuvent stocker une quantité considérable d'énergie. À la suite de la construction tridimensionnelle du MoSe préparé₂/NC composite, le taux de transfert d'électrons peut être considérablement amélioré et le contact entre NC et MoSe₂peut être amélioré. Un tel MoSe en couches₂peut fournir une augmentation notable des sites de stockage d'énergie actifs dans une structure unique, et le carbone poreux dopé N peut non seulement restreindre le MoSe₂les nanofeuilles de s'agréger mais améliorent également la stabilité structurelle et la conductivité du MoSe₂. De plus, les structures dopées N et poreuses peuvent généralement stimuler la dynamique de stockage d'énergie. Compte tenu des effets synergiques des avantages énoncés ci-dessus, le MoSe₂Les composites /NC obtenus à partir de cette étude offrent d'excellentes performances de cycle. Les anodes fabriquées à partir de ce matériau composite ont une capacité et des performances supérieures à toutes les autres anodes comparables, ce qui les rend idéales pour une utilisation en tant que matériau d'anode à demi-cellule. Compte tenu de son excellent K⁺performances de stockage, PIC formés avec MoSe₂Le /NC et le charbon actif peuvent atteindre une densité d'énergie maximale et sont remarquablement fiables après 7000 cycles. De plus, la spectroscopie Raman et la microscopie électronique à transmission (TEM) ont été utilisées pour explorer le mécanisme de stockage électrochimique du MoSe₂/NC.