MoS2/Graphene Aerogel Tiga Dimensi sebagai Elektroda Bebas Pengikat untuk Baterai Li-ion

Hasil dan Diskusi

Aerogel MoS2/RGO dibuat dengan metode hidrotermal, pengeringan beku dan perlakuan panas. Gambar 1 menampilkan proses preparasi elektroda MoS2/RGO. Metode rinci dijelaskan pada Bahan dan metode. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1 dan File tambahan 2:Gambar S2, MoS yang diperoleh₂ / RGO aerogel bisa tetap mengintegrasikan struktur. Perilaku mekanik yang sangat baik bermanfaat dari porositas yang kaya dari seluruh struktur dan interkoneksi lapisan graphene, menunjukkan potensi besar sebagai elektroda bebas pengikat.

Skema fabrikasi struktur nano hybrid MoS2/RGO

Gambar 2 menyajikan morfologi MoS₂ /rGO aerogel. Struktur berpori dengan lapisan graphene berkerut yang saling berhubungan satu sama lain diamati (Gbr. 2a), di mana MoS₂ struktur nano menutupi seluruh lapisan graphene. Struktur mikro MoS₂ /RGO aerogel dikonfirmasi lebih lanjut dengan TEM (File tambahan 3:Gambar S3). Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 2c dan d, MoS₂ struktur nano didistribusikan pada graphene bahkan setelah ultrasonikasi lama, menggambarkan interaksi yang kuat dari MoS₂ pada grafena. Gambar TEM resolusi tinggi ditampilkan pada Gbr. 2f. Lapisan graphene ditutupi dengan MoS₂ struktur nano, di mana jarak kisi 0,61 dan 0,27 nm diamati, yang bertanggung jawab untuk (002) dan (100) bidang MoS₂ [29]. Pola SAED (inset dari Gambar. 2f) menunjukkan beberapa cincin difraksi, yang sesuai dengan MoS₂ pesawat [30]. Hasil ini menggambarkan bahwa struktur nano MoS2 pada lapisan graphene menunjukkan kristalinitas yang baik. Distribusi unsur aerogel terdeteksi (Gbr. 2g–j) di mana elemen Mo, S, dan C hampir tumpang tindih dengan seluruh struktur, menunjukkan keberhasilan fabrikasi komposit.

a , b Gambar SEM dan c , d , e , f Gambar TEM dan HRTEM dari sampel MoS2/RGO. g –j Pemetaan TEM-EDX elemen Mo, S, dan C. Sisipan di f adalah pola SAED yang sesuai

Percobaan difraksi sinar-X (XRD) juga dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, pola XRD dari MoS₂ bubuk bisa bertanggung jawab untuk heksagonal 2H–MoS₂ (JCPDS 37-1492). Puncak pantulan kuat di 2θ = 14.2 ^o milik bidang (002), dengan jarak-d 0,62 nm. MoS₂ Komposit /RGO menunjukkan struktur kristal yang mirip dengan MoS murni₂ , menunjukkan struktur berlapis. Dibandingkan dengan MoS₂ sampel, puncak yang jelas pada 26,3° diamati pada sampel MoS2/RGO, yang dapat menjadi puncak difraksi (002) dari graphene, mengungkapkan zat graphene dalam komposit [31]. Perlu ditunjukkan bahwa puncak yang jelas pada 14,4°, 32,7° dan 58,3° dianggap berasal dari puncak difraksi (002), (100) dan (110) MoS₂ , yang konsisten dengan hasil pola SAED sebelumnya. Khususnya, MoS₂ (002) puncak refleksi, yang menunjukkan sifat berlapis dari MoS2 berlapis, melemah untuk MoS₂ /RGO komposit, menyarankan pembentukan struktur MoS2 beberapa lapis [26, 32]. Puncak graphene lebih jelas daripada MoS₂ , lebih lanjut menegaskan bahwa MoS₂ dibungkus oleh lapisan graphene di MoS₂ /RGO aerogels [26, 32].

a Pola XRD sampel MoS2/RGO dan MoS2. b Spektrum Raman dari MoS2/RGO dan MoS2

Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut sifat MoS₂ struktur nano dan lapisan graphene, pengukuran spektroskopi Raman juga dilakukan [33,34,35]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, MoS₂ /RGO aerogel menunjukkan E_2g dan A_1g puncak MoS₂ pada frekuensi 380,2 dan 403,6 cm ⁻¹ [18, 36]. Khususnya, telah dilaporkan bahwa MoS lapisan tunggal₂ struktur nano dengan metode fabrikasi yang berbeda akan menampilkan A_1g puncak pada 402–404 cm ⁻¹ [37,38,39], selanjutnya mengidentifikasi beberapa lapisan MoS₂ kristal di MoS₂ / RGO aerogel. Selain itu, puncaknya pada 1354,3 cm ⁻¹ dan 1591,6 cm ⁻¹ diamati pada Gambar. 3b, yang merupakan puncak karakteristik pita D dan G dari graphene [40,41,42]. Rasio intensitas I _D /Aku _G biasanya dikaitkan dengan cacat graphene [35]. Nilainya dihitung menjadi 1,08, menunjukkan graphene tereduksi dengan beberapa cacat [34].

Untuk mendemonstrasikan kinerja elektroda MoS2/RGO, pengukuran CV pada kecepatan pemindaian 0,5 mV s ⁻¹ dilakukan. Gambar 4a menunjukkan tiga kurva CV pertama dari komposit MoS2/RGO. Puncak bahu lebar diamati pada 0,95 V ketika ada puncak reduksi pada 0,65 V pada sapuan katodik pertama MoS₂ / elektroda RGO. Puncak pada 0,95 V terkait dengan interkalasi Li+ ke MoS₂ ruang interlayer untuk membentuk LixMoS₂ , dengan proses transformasi fasa menjadi struktur 1T(oktahedral) LixMoS2 dari 2H (prismatik trigonal) [43, 44]. Puncak lainnya pada 0,65 V disertai dengan proses pembentukan Li₂ S dan Mo metalik dari LixMoS₂ [45,46,47]. Dalam pemindaian debit berikut, ada puncak reduksi yang terletak di 1,80 V dan 1,05 V, yang menunjukkan proses reaksi yang berbeda. Satu puncak yang jelas pada 2.34 V diamati untuk MoS₂ /RGO elektroda di scan anodik terbalik, menunjukkan pembentukan belerang [43]. Dapat disimpulkan bahwa belerang, Mo, dan sedikit MoS₂ terbentuk setelah siklus pertama dan tetap sama pada siklus berikutnya [36, 48,49,50]. Selain itu, kurva pelepasan identik kecuali yang pertama, menunjukkan stabilitas elektrokimia untuk MoS₂ /RGO komposit. Tiga kurva GCD pertama dari elektroda MoS2/RGO dan MoS2 ditunjukkan pada Gambar 4b dan c. Pada siklus pelepasan pertama elektroda MoS2, dua dataran tinggi potensial diamati pada 1,05 V dan 0,65 V (Gbr. 4b). Dataran tinggi 1,05 V disertai dengan proses pembentukan LixMoS₂ , dan dataran tinggi pada 0.65 V berhubungan dengan reaksi pembentukan partikel Mo dari MoS₂ . Kurva potensial lereng diamati di bawah 0,52 V pada siklus pelepasan pertama, yang berarti munculnya lapisan polimer seperti gel karena degradasi elektrolit [51,52,53]. MoS₂ elektroda menunjukkan dataran tinggi pada 2,0, 1,20 dan 0,45 V pada kurva debit berikut. Dalam proses pengisian, dataran tinggi yang jelas pada 2,35 V diamati untuk elektroda MoS2. Untuk elektroda MoS2/RGO (Gbr. 4c), tidak ada potensi dataran tinggi yang jelas selama siklus pelepasan pertama, kecuali untuk dataran tinggi seminggu di 1,1-0,6 V, yang terutama dianggap berasal dari proses lithium yang tumpang tindih di MoS2 dan RGO [54 ]. Elektroda MoS2/RGO menunjukkan dataran tinggi pada 1,95 V dalam siklus pelepasan berikut, sesuai dengan hasil CV. Selama siklus pengisian, MoS₂ Elektroda /RGO menunjukkan dataran tinggi pada 2,2 V. Gambar 4c menunjukkan kapasitas pengosongan dan pengisian MoS₂ /RGO dan MoS₂ elektroda. MoS₂ /RGO elektroda menghasilkan 2215 mAh g ⁻¹ kapasitas pengosongan pada siklus pengosongan pertama, dengan kapasitas pengisian daya yang dapat dibalik sebesar 1202 mAh g ⁻¹ . Nilai yang sesuai untuk MoS₂ adalah 671.1 mAh g ⁻¹ dan 680.5 mAh g ⁻¹ , masing-masing. Proses ireversibel pada siklus pertama, seperti dekomposisi elektrolit dan pembentukan film SEI, menyebabkan ireversibilitas [55, 56].

Tiga voltamogram siklik pertama aerogel MoS2/RGO pada laju pemindaian 0,5 mV s-1 (a ). Kurva pengisian dan pelepasan galvanostatik dari aerogel MoS2/RGO (b ) dan MoS2 (c ) elektroda pada rapat arus 100 mA g-1. d Nilai kinerja aerogel MoS2/RGO dan elektroda MoS2 pada densitas arus yang berbeda. e Performa bersepeda aerogel MoS2/RGO dan elektroda MoS2 pada kerapatan arus konstan 100 mA g-1

Tingkat kinerja MoS₂ /RGO elektroda dan MoS₂ elektroda ditunjukkan pada Gambar. 4d. Membandingkan dengan satu MoS₂ elektroda, elektroda MoS2/RGO menghasilkan kapasitas yang lebih tinggi. Kapasitas 1041 mAh g ⁻¹ pada 100 mA g ⁻¹ disimpan setelah 50 siklus pengosongan/pengisian untuk MoS₂ /RGO elektroda, menunjukkan reversibilitas elektrokimia yang baik serta stabilitas siklus yang panjang. Sebagai perbandingan, MoS₂ elektroda hanya menyimpan 512 mAh g ⁻¹ kapasitas 100 mA g ⁻¹ setelah 50 siklus. Selain itu, kapasitas spesifik elektroda MoS2 menurun banyak ketika arus menurun dari 2000 mA g ⁻¹ hingga100 mA g ⁻¹ . Hasil bersepeda dilakukan pada 100 mA g ⁻¹ ditunjukkan pada Gambar. 4e. MoS₂ elektroda menunjukkan kinerja bersepeda yang buruk. Hampir tidak ada penurunan dalam 20 siklus awalnya. Namun, kapasitas (pengisian) yang dapat dibalik menurun dari 892 mAh g ⁻¹ hingga 110 mAh g ⁻¹ setelah 100 siklus, dengan retensi kapasitas hanya 12,3%. Sebaliknya, MoS₂ Elektroda /RGO menunjukkan peningkatan stabilitas siklik. Kapasitas yang dapat dibalik 667 mAh g ⁻¹ , dengan retensi kapasitas 58,6% diperoleh setelah 100 siklus. Performa kecepatan dan stabilitas siklus elektroda RGO murni juga ditampilkan di File tambahan 4:Gambar S4. Elektroda RGO menghasilkan kapasitas pengisian daya yang dapat dibalik sebesar 297,8 mAh g ⁻¹ pada 100 mA g ⁻¹ . Saat kerapatan arus dibalik dari 2000 mA g ⁻¹ hingga100 mA g ⁻¹ , kapasitas spesifik 202,2 mAh g ⁻¹ disimpan untuk elektroda RGO. Tabel 1 menunjukkan perbandingan kinerja kapasitas tentang MoS2/RGO bebas pengikat dan bahan lain berdasarkan MoS2/rGO yang tercantum dalam literatur [57,58,59,60,61,62,63]. Terlihat bahwa elektroda MoS2/RGO bebas pengikat menunjukkan kapasitas yang tinggi dibandingkan dengan komposit MoS2/RGO berpori lainnya yang pernah dilaporkan. Hasil ini menggambarkan keberhasilan pengenalan RGO, dan peran penting yang dimainkannya dalam proses delithium-lithium [57]. Pertama, lapisan graphene dengan arsitektur berpori tinggi menyediakan situs aktif yang kaya untuk MoS₂ struktur nano, yang bermanfaat untuk mencegah agregasi MoS₂ . Kedua, graphene dengan konduktivitas yang baik mengurangi hambatan transfer dan mendorong transmisi elektron dan transpor ion, yang mengarah pada peningkatan kemampuan laju. Ketiga, aerogel RGO dengan struktur berpori multi-skala bertindak sebagai lapisan penyangga elastis, yang secara efektif menahan ekspansi volume selama proses delithium-lithium, dan dengan demikian menghasilkan stabilitas siklus yang lebih baik.

Pengukuran spektrum impedansi elektrokimia (EIS) juga dilakukan untuk sampel. Gambar 5a menunjukkan plot Nyquist dari MoS₂ /RGO dan MoS₂ elektroda setelah 100 siklus pengisian-pengosongan pada 100 mA g ⁻¹ . Setengah lingkaran pertama mewakili resistensi migrasi ion lithium melalui film SEI (R1), sedangkan setengah lingkaran kedua mewakili resistensi transportasi muatan (Rct). R2 terkait dengan resistensi elektrolit [26]. Perangkat lunak ZView digunakan agar sesuai dengan kurva MoS₂ /RGO dan MoS₂ elektroda. Nilai yang dipasang tercantum pada Gambar. 5b. Dari tabel, Rct dari MoS₂ /RGO elektroda (10,74Ω) lebih kecil dari MoS₂ (44.07 Ω), menunjukkan bahwa rGO dapat membawa proses transfer muatan yang lebih baik selama tindakan pengisian-pengosongan dan dengan demikian menunjukkan kemampuan tingkat yang baik.

a Plot Nyquist dari elektroda MoS2/RGO dan MoS2 pada keadaan terisi penuh setelah 100 siklus pada 100 mA g ⁻¹ , dan b nilai R1, R2, dan Rct diperoleh dengan memasang data sesuai dengan model rangkaian ekivalen yang disajikan dalam a

Untuk menyelidiki dampak proses pengisian/pengosongan berulang pada sampel yang disiapkan, FESEM dilakukan pada sampel setelah 100 siklus pada 100 mA g ⁻¹ (File tambahan 1:Gambar S1). Elektroda MoS2/ RGO menjaga struktur sumur tanpa retak. Gambar FESEM penampang di File tambahan 1:Gambar S1c dan d menunjukkan lapisan graphene kompresibel tinggi tempat nanopartikel didistribusikan. Sebaliknya, retakan parah diamati pada MoS murni₂ elektroda di File tambahan 1:Gambar S1e dan f. Itu terutama karena ekspansi volume bahan aktif selama siklus, sehingga menyebabkan agregasi partikel. Hasil di atas menggambarkan peran penting lapisan graphene dalam menghambat ekspansi volume dalam proses siklus (File tambahan 5:Gambar S5).