Nanosfera MoS₂/C Berpori Hierarkis dari Nanosheet: Penyimpanan Energi Elektrokimia Eksepsional
Abstrak
Untuk mengatasi kelemahan ekspansi volume MoS₂ sebagai bahan anoda baterai lithium-ion (LIBs), strategi efektif dikembangkan untuk merancang nanosfera karbon MoS₂ berpori hierarkis melalui metode hidrotermal sederhana dan mudah dioperasi diikuti dengan pemanasan. Citra FESEM dan TEM menunjukkan jelas bahwa nanosfera terdiri dari nanosheet MoS₂/C ultra-tipis yang dilapisi lapisan karbon dan memiliki spasi lapisan yang diperluas sebesar 0,98 nm. Sebagai anoda LIBs, nanosfera karbon MoS₂ menghasilkan kapasitas pengisiran awal 1307,77 mAh g⁻¹ pada kepadatan arus 0,1 A g⁻¹. Selain itu, kapasitas reversibel 612 mAh g⁻¹ diperoleh bahkan pada 2 A g⁻¹ dan retensi kapasitas 439 mAh g⁻¹ setelah 500 siklus pada 1 A g⁻¹. Performa elektrokimia yang ditingkatkan dikaitkan dengan struktur pori hierarkis serta interkalasi karbon ke dalam spasi jaring MoS₂, yang menyediakan saluran cepat untuk transportasi ion/elektron, meredapkan pengaruh perubahan volume, dan meningkatkan konduktivitas listrik elektroda. Sementara itu, spasi lapisan MoS₂ yang diperluas dalam MoS₂/C dapat menurunkan hambatan difusi ion dan mengurangi ekspansi volume selama siklus pengisiran/pengosongan.
Latar Belakang
Bagaimana melindungi planet berkelanjutan sambil mengembangkan dan menggunakan energi telah menjadi isu global utama. Dalam beberapa dekade terakhir, baterai lithium-ion (LIBs) menunjukkan keunggulan kepadatan energi tinggi, umur pakai panjang, dan kompatibilitas lingkungan, yang memiliki aplikasi besar dalam penyimpanan energi terbarukan, perangkat elektronik, dan kendaraan bermotor [1, 2]. Namun, anoda grafit komersial memiliki kapasitas spesifik teoretis rendah sebesar 372 mAh g⁻¹ [3,4,5], yang jauh dari kebutuhan yang terus meningkat untuk baterai dapat chargu dengan kepadatan energi tinggi. Oleh karena itu, pengembangan bahan elektroda yang diinginkan untuk LIBs sangat penting.
Terakhir, sulfida logam transisi (Co₃S₄ [6], SnS₂ [7], VS₂ [8], NbS₂ [9], WS₂ [10] dan MoS₂ [11]) dianggap sebagai serangkaian bahan anoda potensi karena biaya rendah, kepadatan energi tinggi, dan kimia elektro redoks yang kaya [12, 13]. Di antara bahan-bahan ini, disulfida molibdena (MoS₂), semikonduktor dengan struktur berlapis dua dimensi (2D) khas, adalah bahan yang paling banyak dipelajari dalam keluarga ini. Pentingnya lagi, jarak lapisan yang lebih besar MoS₂ (d = 0,62 nm) dibanding grafit (d = 0,34 nm) dapat mempercepat proses interkalasi/ekstraksi Li⁺, sehingga menghasilkan kapasitas penyimpanan tinggi sebesar 670 mAh g⁻¹ [14,15,16]. Sayangnya, aplikasi praktis MoS₂ murni sebagai LIBs terhalang oleh stabilitas siklus yang buruk. Hal ini disebabkan oleh konduktivitas elektronik/ionik yang relatif rendah dan degradasi elektrokimia bahan aktif MoS₂ karena efek perosotan polisulfida yang mengakibatkan kehilangan kapasitas dan kemampuan laju yang buruk [4, 17, 18]. Untuk mengatasi tantangan ini, telah terbukti sangat efektif dengan merangkaian berbagai MoS₂ terstruktur nano dan memperkenalkan bahan karbon konduktif [15, 19,20,21]. Esensi yang pertama adalah untuk memperpendek jarak transmisi elektron, sedangkan yang terakhir bertujuan untuk meningkatkan konduktivitas elektronik keseluruhan bahan, menahan aglomerasi MoS₂, dan mempertahankan stabilitas struktur elektroda, contohnya MoS₂/grafin [22, 23], MoS₂/CNTs [24], MoS₂/nanofibra karbon [25], MoS₂/RGO [26], dll.
Berdasarkan pertimbangan di atas, penelitian terbaru sebagian besar berfokus pada konstruksi nanoskomposit MoS₂/C baru, memanfaatkan keuntungan masing-masing untuk meningkatkan stabilitas siklus. Li et al. melaporkan superstruktur nanosheet hibrid 2D MoS₂/C baru yang terdiri dari lapisan tunggal MoS₂ yang tumpang tindih lapis demi lapis secara bergantian dan karbon mesoporos [4]. Nanosheet hibrid unik dengan kontak antarmuka MoS₂/m-C yang sempurna menghasilkan maksimum interaksi sinergi. Kelompok mereka juga merancang elektroda karbon fleksibel berpori makro terurut 3D MoS₂/kربون dengan merakit struktur nano MoS₂/C pada kain karbon dengan nanosheet MoS₂ beberapa lapis yang disematkan homogen dalam dinding karbon yang terhubung melalui penggunaan nanosphera polistiren (PS) sebagai templat pori makro [17]. Elektroda fleksibel menunjukkan stabilitas siklus yang unggul ketika langsung diterapkan untuk LIBs. Zhang et al. mencapai pertumbuhan nanosheet MoS₂ pada substrat nanotubul karbon turunan polipirrol (PCN) dan pelapisan lapisan karbon luar pada nanosheet untuk merancang arsitektur sandwich PCN@MoS₂@karbon [27]. Dalam arsitektur ini, nanosheet MoS₂ ultra-tipis di sandwich antara PCN berongga dan lapisan karbon tipis. Sun et al. berhasil menyiapkan hibrid 1T-MoS₂/C yang terdiri dari nanosheet MoS₂ yang lebih kecil dan lebih sedikit lapis melalui metode hidrotermal sederhana dengan aditif glukosa yang tepat [28]. Anoda 1T-MoS₂/C memberikan stabilitas siklus yang unggul (pertahankan 870 mAh g⁻¹ setelah 300 siklus pada 1 A g⁻¹) dan performa laju tinggi (kapasitas reversibel 600 mAh g⁻¹ pada 10 A g⁻¹). Performa elektrokimia yang unggul dapat dikaitkan dengan konduktivitas intrinsik yang lebih tinggi dari 1T-MoS₂ dan lapisan karbon tipis yang menutupi permukaan dengan spasi lapisan yang diperluas sebesar 0,94 nm. Berdasarkan hal di atas, nanoskomposit MoS₂/C yang dimodifikasi memang dapat mengoptimalkan properti elektrokimia.
Di sini, kami mendemonstrasikan metode hidrotermal sederhana, mudah dioperasi, dan sangat efektif menuju nanosfera karbon MoS₂ berpori hierarkis. Nanosfera ini disusun sendiri dari nanosheet MoS₂/C ultra-tipis yang dilapisi lapisan karbon, sehingga terbentuk saluran terhubung internal dan mengekspos lebih banyak situs aktif untuk transmisi elektronik/ionik dan penyimpanan lithium. Akibatnya, ketika digunakan sebagai bahan anoda dalam sel setengah LIBs, struktur pori terbuka MoS₂/C nanosfera yang disiapkan menunjukkan properti penyimpanan lithium yang luar biasa, termasuk kapasitas spesifik tinggi, performa siklus panjang, serta kemampuan laju yang cepat.
Metode
Persiapan Bahan
Sintesis MoS₂/C
Sintesis nanosfera MoS₂/C didasarkan pada prosedur sebelumnya dengan modifikasi [19]. Biasanya, 0,6 g molibdat natrium (Na₂MoO₄), 3 g tiourea (CH₄N₂S) dan 1 g pirrolidon vinil (PVP) dilarutkan dalam 30 mL air deion dengan pengadukan magnetis untuk membentuk larutan seragam. Kemudian, 0,2 g klorida dopamin (DPH) ditambahkan ke dalam campuran di atas dengan membentuk suspensi merah. Setelah diaduk terus-menerus selama 30 menit, suspensi yang dihasilkan dimasukkan ke dalam autoklaf stainless steel berlapisan Teflon berukuran 50 mL yang dipelihara pada 200 °C selama 18 jam, diikuti dengan pendinginan secara alami ke suhu ruangan. Endapan hitam dikumpulkan dan dicuci dengan air deion dan etanol murni melalui metode sentrifugasi, dan dikeringkan di vakum pada 60 °C selama semalam. Terakhir, nanosfera MoS₂/C diperoleh melalui kalinasi endapan hitam dalam atmosfer argon pada 700 °C selama 3 jam. Untuk perbandingan, kami membeli bubuk MoS₂ murni komersial dari Aladdin.
Karakterisasi Bahan
Pola difraksi sinar-X (XRD) diukur menggunakan difraktometer sinar-X TD-3500 dengan radiasi Cu/Ka (λ = 0,15406 nm) pada rentang 2θ 5°–80° dengan laju pemindaian 4° min⁻¹. Isoterm adsorpsi/desorpsi N₂ dan luas permukaan Brunauer–Emmett–Teller (BET) dilakukan menggunakan analyzer Micromeritics ASAP 2020. Spektra Raman diuji pada spektrometer Raman LabRAM HR800 yang dilengkapi dengan cahaya laser 532 nm. Kandungan karbon dalam nanosfera MoS₂/C ditentukan oleh analyzer DSC/TGA simultan (TGA, SDT-Q600) pada laju pemanasan 10 °C min⁻¹ dari 25 hingga 700 °C dengan aliran udara. Komposisi elemen dan status kimia bahan dievaluasi melalui spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Thermo VG ESCALAB 250XI). Morfologi dan mikrostruktur detail sampel diperiksa menggunakan mikroskopi elektron emissi lapangan (FESEM, Sigma 500) dan mikroskopi elektron transmisi (TEM, Tecnai G2 F20), masing-masing.
Uji Elektrokimia
Kapasitas dan properti siklus sampel yang disiapkan dilakukan dengan sel koin tipe CR2032 yang dirakit dalam kotak sarung argon dengan lembar lithium sebagai elektroda sebaliknya dan film polipropilena mikroporos Celgard 2400 sebagai pemisah. Elektroda kerja diperoleh dengan mencampur dalam larutan N-metil-2-pironidon (NMP), bahan aktif (MoS₂/C atau MoS₂) dengan aditif konduktif (hitam asetilena) dan pengikat polimer (PVDF) dalam rasio massa 8:1:1 untuk membentuk slurry homogen. Kami melapisi slurry pada foil tembaga dan mengeringkan dalam oven vakum pada 80 °C selama 4 jam. Selanjutnya, elektroda dipunch menjadi cakram bundar dan dikeringkan dalam oven vakum pada 120 °C selama 12 jam. 1M LiPF₆ yang dilarutkan dalam karbonat etilena (EC) dan karbonat dimetil (DMC) dengan rasio volume 1:1 dipilih sebagai elektrolit. Performa elektrokimia dilakukan menggunakan sistem pengujian baterai (Neware BTS-610) pada jendela tegangan putus 0,01–3 V pada berbagai kepadatan arus. Kurva voltametri siklik (CV) dilakukan pada stasiun elektrokimia (CHI 760E) antara 0,01 dan 3 V pada laju pemindaian 0,2 mV s⁻¹.
Hasil dan Pembahasan
Diagram proses penyusunan nanosfera karbon MoS₂ berpori hierarkis ditunjukkan pada Gambar 1. Na₂MoO₄ menyediakan ion molibdenum, CH₄N₂S menyediakan sumber sulfur, dan DPH adalah sumber karbon. Bahan karbon polidopamin memiliki performa elektrokimia yang lebih baik dan konduktivitas yang lebih baik. PVP bertindak sebagai dispergen dan stabilisator. Dalam proses hidrotermal, surfaktan PVP secara preferensial menyerap sepanjang batas butiran nano MoS₂, menyebabkan pertumbuhan anisotropi inti kristal MoS₂ dan membentuk nanosheet MoS₂. Karena luas permukaan spesifik yang besar dan energi permukaan tinggi dari prekursor nanosheet MoS₂/karbon, nanosheet MoS₂ menyusun diri menjadi nanosfera. Terakhir, nanosfera MoS₂/C disiapkan melalui kalinasi dalam atmosfer iners.
Diagram proses penyusunan nanosfera karbon MoS₂ berpori hierarkis
Gambar 2a menampilkan pola XRD MoS₂ komersial dan nanosfera MoS₂/C. Pola MoS₂ komersial sesuai dengan kartu standar 2H-MoS₂ heksagonal (JCPDS 87-2416). Puncak difraksi sekitar 2θ = 32,8° dan 58,5° dapat diindeks ke bidang (100) dan (110) MoS₂ baik dalam MoS₂ komersial maupun MoS₂/C yang disiapkan [19, 29]. Selain itu, terbentuk struktur baru dapat dibuktikan oleh dua puncak baru dalam MoS₂/C sekitar 2θ = 7,9° dan 18,3°, yang menunjuk bidang kristal (001) dan (002) yang diperluas [27]. Spasi d yang diperluas juga didukung oleh hasil observasi HRTEM (Gambar 2g). Analisis di atas menunjukkan bahwa kami berhasil menyintesis MoS₂/C dan partisipasi DPH berkontribusi pada spasi lapisan yang diperluas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b, berdasarkan analisis isoterm adsorpsi/desorpsi N₂, luas permukaan BET MoS₂/C disimpulkan sebesar 16,59 m² g⁻¹. Distribusi ukuran pori (inset Gambar 2b) yang dihitung menggunakan persamaan BJH [2] menunjukkan struktur pori multi-skala dengan ukuran pori rata-rata 20,66 nm. Struktur pori hierarkis seperti ini akan memfasilitasi kontak intim antara elektroda dan elektrolit serta transportasi elektron dan ion yang cepat, sehingga meningkatkan performa penyimpanan lithium lebih lanjut. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c, spektrum Raman MoS₂/C mengonfirmasi keberadaan dan tingkat grafitasi karbon. Dua puncak tipikal yang berkedudukan di 384 dan 407 cm⁻¹ terkait dengan getaran E₁²g dan A₁g MoS₂ [17, 29, 30], masing-masing. Dua puncak karakteristik lainnya yang terletak pada 1373 cm⁻¹ (pita D) dan 1605 cm⁻¹ (pita G) dapat diarahkan ke fase karbon [15, 21, 31]. Secara detail, pita D dapat dikaitkan dengan karbon cacat atau karbon amorfik tidak teratur akibat hibridaisasi sp³ pada bidang grafit, sedangkan pita G dikaitkan dengan karbon grafit kristal [19, 32]. Rasio intensitas pita D terhadap pita G dihitung sebesar 0,85, yang menunjukkan tingkat grafitasi karbon yang relatif tinggi. Pengukuran TGA pada Gambar 2d lebih lanjut memastikan kandungan karbon dalam komposit MoS₂/C. Kehilangan bobot 4,2% sebelum 100 °C sesuai dengan penguapan air bebas terserap dalam sampel, dan kehilangan bobot 37,54% mengindikasikan oksidasi MoS₂ menjadi MoO₃ dalam udara [14, 15]. Oleh karena itu, persentase bobot air terserap, MoS₂, dan karbon ditentukan sebesar 4,2, 64,78 dan 31,02 wt%, masing-masing.
a Pola XRD MoS₂ komersial dan nanosfera MoS₂/C; b Isoterm adsorpsi/desorpsi N₂ dan distribusi ukuran pori nanosfera MoS₂/C; c Spektrum Raman nanosfera MoS₂/C; d Kurva TGA nanosfera MoS₂/C
XPS diselidiki untuk menilai komposisi elemen dan status valensi MoS₂/C pada Gambar 3a–d. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, elemen utama Mo, S, C dan O dapat diidentifikasi dari pola survei; O berasal dari adsorpsi oksigen pada permukaan. Gambar 3b menunjukkan spektrum resolusi tinggi Mo 3d. Dua puncak utama yang berkedudukan pada 229,8 dan 233,1 eV dikaitkan dengan Mo 3d₅/₂ dan Mo 3d₃/₂ dari Mo⁴⁺ dalam MoS₂/C [19, 29]. Puncak lebar lainnya yang terletak pada 227,0 eV umumnya terkait dengan S 2s. Dan sisa puncak pada 236,3 eV dapat diindeks ke Mo⁶⁺ yang menunjukkan pembentukan ikatan C–O–Mo antara MoS₂ dan karbon, yang sesuai dengan komposit MoS₂/C lainnya [27, 30, 33]. Pasangan puncak karakteristik S dapat diamati jelas pada 162,5 dan 163,7 eV pada Gambar 3c, sesuai dengan S 2p₃/₂ dan S 2p₁/₂ dari S²⁻ dalam MoS₂[5, 21]. Spektrum XPS terdeskripsi C 1s ditunjukkan pada Gambar 3d; sinyal dapat difit menjadi tiga puncak: Puncak utama yang berkedudukan pada 284,7 eV sesuai dengan C–C, sedangkan dua puncak pada 285,6 dan 288,9 eV dapat ditugaskan ke C–O dan O–C=O, masing-masing [14, 29, 34, 35].
Spektrum XPS nanosfera MoS₂/C: a survei, b Mo 3d, c S 2p, d C 1s
Seperti digambarkan pada Gambar 4, citra FESEM dan TEM mengungkapkan morfologi dan struktur MoS₂/C. Citra representatif FESEM dan TEM MoS₂/C ditampilkan pada Gambar 4a–f, menunjukkan struktur nanosfera pori yang disusun dari nanosheet MoS₂/C ultra-tipis dengan diameter rata-rata 130–200 nm. Analisis pemetaan elemen daerah FESEM (Gambar 4c) mengonfirmasi keberadaan elemen Mo, S, C dan distribusi yang seragam di seluruh komposit. Apa lebih lagi, nanosheet dilapisi lapisan karbon tipis dan bersentuhan erat satu sama lain untuk membentuk nanosfera pada Gambar 4e, f. Struktur pori terbuka seperti ini mendukung kontak elektronik dan transfer elektron yang cepat selama proses pengosongan/pengisiran. Gambar 4g menunjukkan citra HRTEM MoS₂/C. Pola difraksi elektron area terpilih (SAED) mengindeks cincin difraksi ke sifat policristal MoS₂ (inset Gambar 4g).
a, b Citra FESEM; c Citra pemetaan elemen daerah FESEM; d–f Citra TEM; g Citra HRTEM dan inset pola SAED yang sesuai dari nanosfera MoS₂/C
Komposit MoS₂/C yang dihasilkan mengandung 31,02 wt% karbon; untuk perbandingan, kami menambahkan konten karbon aktif konduktif yang sama ke MoS₂ komersial sebagai bahan aktif, lalu mencampurnya dengan PVDF dan hitam asetilena untuk mendapatkan elektroda. Kedua sampel dirakit sebagai anoda sel koin tipe CR2032 untuk mengevaluasi mekanisme dan performa elektrokimia mereka. Tiga kurva CV pertama dari elektroda MoS₂/C dilakukan pada jendela potensial dari 0,01 hingga 3,0 V pada laju pemindaian 0,2 mV s⁻¹. Seperti terlihat pada Gambar 5a, tiga puncak reduksi diamati dari 1,22 hingga 0,1 V dalam sapuan katodik pertama. Puncak reduksi lebar yang terletak pada 0,73–1,22 V sesuai dengan penyisipan Li⁺ ke dalam MoS₂/C dan proses litiasi MoS₂ untuk membentuk LiₓMoS₂[16, 36]. Dua puncak reduksi lainnya yang berkedudukan pada 0,58 V dan 0,1 V dapat ditugaskan ke pembentukan lapisan interphase elektrolit padat (SEI) dan reduksi LiₓMoS₂ menjadi Mo [14, 15, 25], masing-masing. Untuk sapuan anodik pertama, hanya dua puncak signifikan yang diperhatikan pada 1,53 dan 2,22 V, yang ditugaskan ke oksidasi Mo menjadi fase MoS₂ dan proses delitiasi Li₂S menjadi S [5, 21, 37]. Dalam sapuan berikutnya, puncak reduksi (0,58 V) hilang dan dua puncak lainnya bergeser ke 1,17 V dan 1,90 V, yang menunjukkan proses litiasi multi dari MoS₂. Secara menarik, kurva yang tumpang tindih pada sapuan kedua/ketiga berarti reversibilitas tinggi dan stabilitas siklus yang hebat dari MoS₂/C yang dibuat dalam LIBs. Kurva pengisian/pengosongan galvanostatis MoS₂/C dilakukan antara 0,01 dan 3,0 V pada kepadatan arus 0,1 A g⁻¹ pada Gambar 5b. Platform tegangan pengisian/pengosongan yang timbul sesuai dengan hasil CV. Elektroda MoS₂/C memberikan kapasitas pengosongan yang tinggi hingga 1307,77 mAh g⁻¹ dan kapasitas pengisian 865,54 mAh g⁻¹ dengan efisiensi kulomb awal (CE) sebesar 66,18%. Selain itu, CE yang tidak diinginkan dan kehilangan kapasitas sekitar 33% kemungkinan berasal dari dekomposisi irreversibel elektrolit dan pembentukan lapisan SEI pada permukaan elektroda [5, 14]. Profil tegangan pengisian/pengosongan kedua dan ketiga berulang satu sama lain; kapasitas spesifik masing-masing 845,58/879,20 mAh g⁻¹ dan 836,13/810,92 mAh g⁻¹. CE yang ditingkatkan ini mengungkapkan reversibilitas elektrokimia anoda MoS₂/C yang baik.
a Kurva CV pada laju pemindaian 0,2 mV s⁻¹ antara 0 dan 3 V dan b profil pengosongan/pengisian pada kepadatan arus 0,1 A g⁻¹ dari nanosfera MoS₂/C; c performa siklus MoS₂ dan nanosfera MoS₂/C pada kepadatan arus 0,1 A g⁻¹ selama 100 siklus; d performa laju dua sampel pada berbagai laju arus dari 0,1 hingga 2 A g⁻¹; e performa siklus jangka panjang dua sampel pada kepadatan arus 1 A g⁻¹ selama 500 siklus
Gambar 5c membandingkan performa siklus anoda MoS₂/C dan MoS₂ komersial pada kepadatan arus 0,1 A g⁻¹ selama 100 siklus. MoS₂ komersial menunjukkan kapasitas spesifik pengisian/pengosongan awal 671,70/952,52 mAh g⁻¹, yang jauh dari komposit MoS₂/C (865,54/1307,77 mAh g⁻¹). Hal ini karena keberadaan karbon dalam MoS₂/C meningkatkan konduktivitas dan penyimpanan permukaan/antarmuka Li yang berasal dari struktur nanosfera pori dan pembentukan/dekomposisi reversibel lapisan gel polimer (SEI) [38]. Setelah 100 siklus, anoda MoS₂/C dan MoS₂ menunjukkan kapasitas spesifik pengosongan 587,18 dan 350 mAh g⁻¹ dengan CE tinggi sekitar 99%. Kemampuan laju dua sampel juga dievaluasi pada berbagai kepadatan arus yang berkisar dari 0,1 hingga 2 A g⁻¹ pada Gambar 5d. MoS₂/C mempertahankan kapasitas pengosongan tinggi pada kepadatan arus yang lebih tinggi: 878 mAh g⁻¹ pada 0,1 A g⁻¹, 806 mAh g⁻¹ pada 0,2 A g⁻¹, 733 mAh g⁻¹ pada 0,5 A g⁻¹, 673 mAh g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, 633 mAh g⁻¹ pada 1,5 A g⁻¹ dan 612 mAh g⁻¹ pada 2 A g⁻¹ setelah 10 siklus. saat dievaluasi ulang pada kepadatan arus 0,1 A g⁻¹, kapasitas pengosongan dengan cepat mencapai 754 mAh g⁻¹ dan tetap 876 mAh g⁻¹ setelah 40 siklus, yang hampir sama dengan siklus ke-10 pertama, yang menunjukkan performa laju yang luar biasa dan stabilitas struktural MoS₂/C. Bagi MoS₂, kapasitas pengosongan dari 0,1 A g⁻¹ hingga 2 A g⁻¹ setelah 10 siklus adalah 320 dan 55 mAh g⁻¹ dengan kehilangan kapasitas besar sekitar 83%. Hasil ini mengungkapkan bahwa konduktivitas listrik MoS₂ komersial tidak ditingkatkan secara signifikan oleh penambahan karbon aktif, sehingga tidak mencapai efek pengisian dan pengosongan yang cepat. Hal ini karena campuran fisik sederhana tidak dapat secara efektif meningkatkan konduktivitas listrik MoS₂ komersial, tetapi dapat mencapai tujuan ideal dengan pelapisan karbon seperti MoS₂/C yang dihasilkan.
Performa siklus jangka panjang dua sampel ditunjukkan pada Gambar 5e pada kepadatan arus besar 1,0 A g⁻¹. Untuk mengaktifkan elektroda, sel diuji pada kepadatan arus rendah 0,05 A g⁻¹ untuk dua siklus pertama. MoS₂/C menunjukkan kapasitas pengosongan tinggi sebesar 515, 443 dan 439 mAh g⁻¹ pada 1,0 A g⁻¹ untuk siklus ke-100, ke-300, ke-500, masing-masing. Dibandingkan dengan bahan anoda MoS₂ yang sebelumnya dilaporkan dari Tabel 1, menunjukkan bahwa nanosfera karbon MoS₂ berpori hierarkis memiliki performa elektrokimia yang lebih baik dan mereka akan menunjukkan potensi besar untuk mengganti bahan anoda grafit. Perlu dicatat bahwa kurva kapasitas MoS₂/C secara keseluruhan relatif stabil tanpa penurunan yang sangat jelas kecuali dari beberapa siklus pertama, yang menggambarkan stabilitas siklus jangka panjang yang unggul. Namun, anoda MoS₂ menderita kehilangan kapasitas yang besar dengan kapasitas pengosongan rendah sebesar 114, 109 dan 138 mAh g⁻¹ pada siklus yang sama. Akibatnya, MoS₂/C masih menunjukkan properti elektrokimia yang lebih unggul dibandingkan MoS₂ komersial, meskipun karbon aktif dengan rasio bobot relatif yang sama diperkenalkan ke dalam elektroda MoS₂. Hal ini dapat dikaitkan dengan keuntungan berikut. I. Komposit MoS₂/C memiliki arsitektur pori terbuka yang nanosfera disusun sendiri oleh nanosheet MoS₂/C ultra-tipis yang dilapisi lapisan karbon tipis, yang memfasilitasi kontak intim antara elektroda dan elektrolit serta transportasi elektron dan ion yang cepat. Sementara itu, arsitektur pori terbuka menguntungkan untuk membentuk saluran terhubung internal dan mengekspos jumlah situs aktif yang meningkat untuk transmisi elektronik/ionik dan penyimpanan lithium. II. Lapisan karbon tipis yang berasal dari karbonisasi DPH tidak hanya dapat bertindak sebagai matriks pendukung stabil untuk mencegah aglomerasi nanosheet MoS₂, tetapi juga meningkatkan konduktivitas keseluruhan bahan. III. Spasi lapisan MoS₂ yang diperluas dalam MoS₂/C dapat menurunkan hambatan difusi ion dan mengurangi ekspansi volume selama siklus pengosongan/pengisiran.
Kesimpulan
Dalam karya ini, kami telah memproduksi nanosfera karbon MoS₂ berpori hierarkis yang disusun sendiri oleh nanosheet MoS₂/C ultra-tipis melalui metode hidrotermal sederhana diikuti dengan pemanasan. Berkat desain struktur yang rasional, MoS₂/C menyediakan saluran cepat untuk transportasi ion/elektron dan mempertahankan stabilitas serta konduktivitas tinggi seluruh elektroda dalam penyimpanan lithium. Selain itu, interkalasi C ke dalam spasi lapisan MoS₂ dapat menampung ekspansi volume untuk memastikan integritas elektroda dan meningkatkan konduktivitas elektronik. Anoda MoS₂/C yang diproduksi mencapai kapasitas spesifik tinggi (1307,77 mAh g⁻¹ pada 0,1 A g⁻¹), performa siklus jangka panjang yang luar biasa (439 mAh g⁻¹ pada 1,0 A g⁻¹ selama 500 siklus) dan kemampuan laju yang cepat (612 mAh g⁻¹ pada 2 A g⁻¹).
