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中國科學院物理研究所 E01組供稿 第5期 2020年01月19日
北京凝聚態物理國家研究中心
碘蒸氣輔助合成Chevrel相納米片Mo6S8及其在鎂/鋁電池中的應用

  Chevrel相化合物是一種鉬基硫族化合物,是由Mo6T8或MxMo6T8組成(M為過渡金屬,T為S,Se或Te)。Chevrel相結構中,六個Mo原子位于一個立方體的六個面心,形成一個八面體的Mo6原子簇,八個T原子占據立方體的八個角上,在這些緊密堆積的原子簇之間有較大的三維開放式孔道。由于這種獨特的結構,Chevrel相化合物被應用于超導,熱電,催化和電池中。自2000年Chevrel相Mo6S8被首次應用于鎂電池正極以來,它的應用范圍已經被拓寬到幾乎所有的二次電池體系。直至今天,Chevrel相Mo6S8仍然是最成功的鎂電池正極材料。但是大規模,高質量地合成Chevrel相的Mo6S8納米材料仍然面臨很大挑戰?,F行的方法包括固相法,熔鹽法,自傳輸高溫法,高能球磨法,以及兩步溶液法合成都具有能耗大,產物不純,并且無法控制顆粒生長等問題。目前最常用的固相法,以CuS和MoS2作為硫源,將反應物密封到充滿氬氣的接頭式不銹鋼管中,在900攝氏度下反應24小時。但是該方法只能合成微米尺寸的Mo6S8,且由于CuS在高溫下會分解產生硫蒸汽并逸出,導致雜質MoS2的生成。

  鑒于此,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源實驗室E01組毛明磊博士、林澤京博士生,在索鎏敏副研究員的指導下,利用碘的氣相傳質反應合成了大規模、高純度的Mo6S8納米片。利用Cu,Mo,以及MoS2作為反應物,避免了反應物的分解,以及硫蒸汽的逸出。碘用來調節固相反應的動力學,降低了反應溫度和時間,并且引發Mo6S8進行擇優平面生長形成納米片。作為一種典型的三維材料,納米片狀的Mo6S8被第一次獲得。在鎂電池和鋁電池中,該Mo6S8納米片比用傳統方法合成的微米顆粒,具有更快的離子嵌入動力學和更好的電化學性能。該研究結果近日發表在《ACS Nano》上(ACS Nano,2019,DOI: 10.1021/acsnano.9b08848),文章題為Iodine Vapor Transport-Triggered Preferential Growth of Chevrel Mo6S8 Nanosheets for Advanced Multivalent Batteries。文章鏈接: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.9b08848

  研究團隊首先探究了最佳的合成條件,通過對不同反應溫度和反應時間下的產物進行XRD測試,發現800攝氏度,24小時是合成的最佳條件。同時,進一步對反應路徑的研究發現,碘蒸汽首先和銅反應生成CuI,然后再和Mo單質以及MoS2反應生成中間產物Cu2Mo6S8。將該中間產物進一步酸洗生成目標產物Mo6S8納米片。然后作者利用XRD,SEM,TEM,STEM等手段確認了合成的Mo6S8納米片的晶相和形貌。隨后將Mo6S8納米片應用到鎂電池和鋁電池中,Mo6S8納米片展現了更快的反應動力學,優異的循環穩定性,以及良好的低溫性能。除此之外,研究團隊還利用非原位的XRD,EDS,和XPS證明了Mo6S8納米片在鎂離子嵌入脫出過程中發生了明顯的相變,并且電荷轉移首先從硫離子開始發生,然后過渡到鉬離子。除了可以應用到電池材料中,Mo6S8納米片因其具有的高比表面積,顯著的各向異性,以及獨特的表面性質,還可以廣泛應用于超導,熱電和催化中。碘的氣相傳質反應將為大規模合成無機化合物提供一種全新的路徑。

  相關工作得到了國家重點研發計劃(2018YFB0104400)、國家自然科學基金(51872322; 21905299)、中國博士后科學基金(2019TQ0346)、以及殼牌公司(PT76419)的支持。

圖1. 碘氣相傳質反應合成Mo6S8納米片的示意圖。
圖2. 利用XRD探究合成Cu2Mo6S8的最優條件以及反應路徑。
圖3. Mo6S8納米片的表征
圖4. Mo6S8納米片在鎂電池和鋁電池中的電化學性能
下載附件>> acs nano.pdf
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