Anoda Binder-Free 3D MoS2/Grafena Aerogel dengan Kapasitas 1.041 mAh g⁻¹ untuk Baterai Litium-Ion
Abstrak
Aerogel hibrida MoS2/grafena yang dikurangi dengan jaringan mikroporos yang kaya dibuat oleh sintesis hidrotermal diikuti dengan pendinginan beku dan annealing suhu tinggi. Struktur poros yang dihasilkan berfungsi langsung sebagai elektroda bebas perekat, meningkatkan transportasi elektron dan menciptakan jalur transportasi ion tiga dimensi. Akibatnya, aerogel memberikan kapasitas spesifik 1.041 mAh g⁻¹ pada 100 mA g⁻¹ dan mempertahankan 667 mAh g⁻¹ setelah 100 siklus—retensi 58,6 %—pada 100 mA g⁻¹. Metrik yang mengesankan ini timbul dari kombinasi sinergis antara lembaran MoS2 dan grafena konduktif, bersama dengan arsitektur bebas perekat. Pekerjaan ini menunjukkan jalur yang scalable untuk mengintegrasikan dalkogenida logam transisi dengan grafena untuk bahan elektroda poros dengan performa tinggi dalam perangkat penyimpanan energi.
Pendahuluan
Pengadopsi yang semakin cepat kendaraan listrik dan elektronik fleksibel telah memintasi penelitian ke dalam penyimpanan energi generasi berikutnya. Baterai litium-ion (LIB) tetap menjadi patokan untuk kepadatan energi tinggi dan siklus umur panjang, menjadikannya titik fokus untuk inovasi bahan.
Dalkogenida logam transisi dua dimensi (TMD) telah menarik perhatian signifikan sebagai anoda LIB karena struktur berlapisnya, kapasitas teoretis tinggi (~670 mAh g⁻¹ untuk MoS2), dan spasi antar-lapisan yang cukup besar, yang memfasilitasi difusi Li⁺. Namun, ekspansi volume selama litiasi/delitiasi dan konduktivitas elektron yang rendah membatasi performa praktis. Strategi untuk mengatasi kekurangan ini termasuk mengecilkan bahan aktif dan mengintegrasikan host karbonasi seperti grafena.
Konduktivitas yang luar biasa dan luas permukaan spesifik yang besar membuat grafena sebagai rangka yang ideal untuk mendukung lembaran MoS2, mencegah restacking dan buffering perubahan volume. Studi terbaru—misalnya, Teng et al. mencapai 1.077 mAh g⁻¹ pada 100 mA g⁻¹ setelah 150 siklus, dan Liu et al. melaporkan 1.300–1.400 mAh g⁻¹—menunjukkan janji komposit MoS2/grafena. Namun, arsitektur bebas perekat yang menggabungkan jaringan poros hierarki dengan interaksi MoS2/grafena yang kuat masih kurang dieksplorasi.
Di sini kami menyajikan sintesis yang mudah dan rendah biaya dari aerogel hierarki MoS2/oksida grafen yang dikurangi (RGO) melalui perawatan solvothermal, pendinginan beku, dan annealing. Aerogel bebas perekat yang dihasilkan menawarkan jaringan konduktif tiga dimensi yang mempromosikan transfer elektron cepat, mengurangi jalur difusi Li⁺, dan menampung perubahan volume, mencapai performa elektrokimia yang superior sebagai anoda LIB.
Bahan dan Metode
Sintesis Aerogel MoS2/RGO
Semua reagen kelas analitik. Oksida grafen (GO) disiapkan oleh metode Hummers yang dimodifikasi. Untuk sintesis aerogel, 60 mg (NH4)2MoS4 dilarutkan dalam 10 mL DMF, kemudian 5 mL larutan air GO 5 mg mL⁻¹ ditambahkan. Campuran di-sonikasi selama beberapa jam untuk mencapai dispersi homogen. Setelah itu, dikotak dalam autoklap dilapis Teflon dan dipanaskan pada 200 °C selama 12 jam. Hidrogel yang dihasilkan dicuci dengan etanol dan air deionisasi, kemudian dikeringkan dengan pendinginan beku dan di-anneal pada 700 °C selama 2 jam untuk menghasilkan aerogel MoS2/RGO akhir. Untuk perbandingan, bubuk MoS2 disiapkan mengikuti prosedur yang sama tanpa penambahan GO.
Karakterisasi
Tipisan aerogel diperiksa oleh FESEM (JEOL JSM-6700F) dan FETEM (FEI, Tecnai G2 F30). XRD (PANalytical PW3040/60, Cu Kα, λ = 1,5406 Å) mengonfirmasi komposisi fase dari 10° hingga 80°. Spektra Raman direkam untuk menilai ketebalan lapisan MoS2 dan kepadatan defek grafena.
Pengukuran Elektrokimia
Film aerogel berfungsi sebagai anoda bebas perekat dalam setengah sel koin (Li foil kontra, pemisah Celgard 2400). Elektrolit adalah 1 M LiPF6 dalam EC/DEC. Setelah istirahat 24 jam, uji charge/discharge galvanostatis (GCD) dilakukan dengan sistem Land; voltametri siklik (CV) dilakukan pada Autolab PGSTAT-302N dalam 0,01–3,0 V (vs Li⁺/Li). Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menggunakan amplitudo 10 mV dari 100 kHz hingga 0,01 Hz.
Hasil dan Pembicaraan
Jalur sintesis—pengolahan hidrotermal, pendinginan beku, dan annealing—ditunjukkan dalam Gambar 1. Aerogel yang dihasilkan mempertahankan arsitektur poros terintegrasi (File tambahan 1: Gambar S1, File tambahan 2: Gambar S2), mengonfirmasi kesesuaiannya sebagai elektroda bebas perekat.
Skematis pembuatan struktur nanostruktur hibrida MoS2/RGO
Gambar SEM (Gambar 2a) menunjukkan jaringan grafena keriput yang terjalin dengan lembaran MoS2. TEM mengonfirmasi cakupan MoS2 yang seragam (Gambar 2c–2f) dengan spasi jaring 0,61 nm (002) dan 0,27 nm (100), yang menunjukkan kristalin yang tinggi. Pemetaan EDX (Gambar 2g–2j) menunjukkan distribusi yang homogen dari Mo, S, dan C.
Gambar 2. a, b citra SEM; c–f TEM/HRTEM; g–j pemetaan EDX dari Mo, S, dan C. Inset dalam f: pola difraksi elektron area terpilih.
XRD (Gambar 3a) menunjukkan puncak khas dari 2H-MoS2 heksagonal (JCPDS 37-1492). Puncak (002) yang prominent pada 14,2° (d = 0,62 nm) dan puncak grafena (002) pada 26,3° mengonfirmasi pembentukan komposit yang berhasil. Intensitas yang terreduksi dari MoS2 (002) menunjukkan konfigurasi beberapa lapis, sementara puncak grafena lebih jelas, menunjukkan pembungkusan MoS2 yang luas oleh RGO.
Gambar 3. a Pola XRD dari MoS2/RGO dan MoS2; b Spektra Raman.
Analisis Raman (Gambar 3b) menunjukkan puncak E2g dan A1g pada 380,2 cm⁻¹ dan 403,6 cm⁻¹, masing-masing, konsisten dengan beberapa lapis MoS2. Pita D dan G grafena muncul pada 1354,3 cm⁻¹ dan 1591,6 cm⁻¹, dengan rasio ID/IG sebesar 1,08, yang mengindikasikan grafen yang dikurangi dengan kepadatan defek sedang.
Kurva CV (Gambar 4a) menampilkan bahu lebar pada 0,95 V dan puncak reduksi pada 0,65 V selama sisaan katodik pertama, yang sesuai dengan interkalasi Li⁺ (membentuk LixMoS2) dan kemudian konversi ke Li2S dan Mo logam. Siklus berikutnya menunjukkan puncak redoks yang stabil, mengonfirmasi perilaku reversibel.
Gambar 4. a Tiga kurva CV pertama pada 0,5 mV s⁻¹; b Kurva GCD MoS2/RGO; c Kurva GCD MoS2; d Performa laju; e Performa siklus pada 100 mA g⁻¹.
Kapasitas discharge awal aerogel MoS2/RGO mencapai 2.215 mAh g⁻¹, dengan kapasitas charge reversibel 1.202 mAh g⁻¹. Di sisi lain, MoS2 polos memberikan 671,1 mAh g⁻¹ (discharge) dan 680,5 mAh g⁻¹ (charge). Setelah 50 siklus, MoS2/RGO mempertahankan 1.041 mAh g⁻¹, sedangkan MoS2 turun menjadi 512 mAh g⁻¹.
Siklus pada 100 mA g⁻¹ menunjukkan MoS2/RGO mempertahankan 667 mAh g⁻¹ (retensi 58,6 %) setelah 100 siklus, sedangkan MoS2 turun menjadi 110 mAh g⁻¹ (retensi 12,3 %). RGO polos memberikan 297,8 mAh g⁻¹ pada 100 mA g⁻¹, menunjukkan bahwa komposit MoS2/RGO menggabungkan kapasitas tinggi dan konduktivitas.
EIS (Gambar 5a) mengungkapkan resistensi transfer muatan (Rct = 10,74 Ω) yang lebih rendah untuk MoS2/RGO dibandingkan MoS2 (44,07 Ω), menekankan keuntungan konduktif dari jaringan grafena.
Gambar 5. a Plot Nyquist setelah 100 siklus pada 100 mA g⁻¹; b Resistansi yang diekstraksi (R1, R2, Rct) dari pemasangan.
SEM setelah 100 siklus (File tambahan 1: Gambar S1) menunjukkan aerogel mempertahankan struktur porosnya tanpa retakan, sedangkan MoS2 polos menunjukkan retakan parah karena ekspansi volume. Ini mengonfirmasi peran buffering dari rangka grafena.
Kesimpulan
Kami telah membuat aerogel MoS2/RGO bebas perekat yang menampilkan mikropori yang melimpah dan jaringan konduktif tiga dimensi. Aerogel memberikan kapasitas spesifik luar biasa sebesar 1.041 mAh g⁻¹ pada 100 mA g⁻¹ dan mempertahankan 667 mAh g⁻¹ setelah 100 siklus (retensi 58,6 %). Hasil ini timbul dari interaksi sinergis antara lembaran MoS2, grafen yang dikurangi, dan arsitektur poros, yang secara kolektif meningkatkan transportasi electron, menyempitkan jalur difusi Li⁺, dan menampung perubahan volume. Strategi ini menawarkan jalur praktis untuk anoda LIB dengan kapasitas tinggi dan umur panjang berdasarkan komposit dalkogenida logam transisi/grafena.
