兰州大学兰伟教授团队Small：基于K-MoS2@C纳米花的高性能可降解锌离子电池- 大数跨境

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兰州大学兰伟教授团队Small：基于K-MoS2@C纳米花的高性能可降解锌离子电池

科学材料站

2023-12-27

导读：兰州大学兰伟教授团队Small：基于K-MoS2@C纳米花的高性能可降解锌离子电池

文章信息

基于K-MoS₂@C纳米花的高性能可降解锌离子电池

第一作者：李峰峰

通讯作者：兰伟

单位：兰州大学

研究背景

近年来，用于医学诊断和治疗的生物可降解医疗电子器件研究取得了重要进展。这些电子器件在生物体内服役完成后可被自然降解吸收，无需二次手术移除。匹配的能源供给是保证生物可降解医疗电子器件正常工作的关键。目前这方面研究主要面临的挑战是如何设计开发具有高电化学性能的生物可降解电源。其中，水系锌离子电池（AZIBs）是非常有前景的候选者。

二维材料MoS₂开放的离子传输通道和丰富的面内活性位点，为开发高性能生物可降解AZIBs提供新的机遇。由于二价Zn²⁺强的静电作用和大的离子半径，导致MoS₂表现出低的氧化还原活性、缓慢的电化学反应动力学和滞后的离子传输动力学，这源于其较小的初始层间距和本征导电性。因此如何通过合理的层间距调控和相结构诱导来提升MoS₂对Zn²⁺存储能力具有重要的研究意义。

文章简介

近日，兰州大学兰伟教授在国际知名期刊Small上发表题为“Interlayer and Phase Engineering Modifications of K-MoS₂@C Nanoflowers for High-Performance Degradable Zn-Ion Batteries”的研究文章。该文章创新性的引入了 MoS₂的双重结构工程策略，通过在三维碳纳米球基底上锚定K⁺插层的K-MoS₂纳米片，构建了K-MoS₂@C 纳米花复合材料。通过预插层K⁺ 拓宽其层间距并诱导产生大量1T-MoS2相结构，来改善电子导电性、弱化层间静电相互作用以及引入离子反应位点。

而碳纳米球作为K-MoS₂的锚定基底和导电基底，为Zn²⁺提供了扩散通道，促进扩散过程与插层赝电容之间的协调。K⁺的引入实现了MoS₂层间距和相结构工程共同修饰，实现快速的电化学反应动力学、离子传输动力学以及氧化还原活性的同步改善，有效降低电化学转移阻抗和空间位阻效应，使得K-MoS₂@C 纳米花电极材料展示出优异的电化学性能。更重要的是，K-MoS₂@C 优异的电化学性能，加上其优越的生物相容性和可降解性，为应用于植入式能源供应系统提供了可能性。

图1 K-MoS₂@C电极结构调控示意图

本文要点

要点一：K⁺预插入实现K-MoS₂@C的层间距调控和相结构诱导

图2 （a）从 2H-MoS₂ 到 K-MoS₂@C 的层间距和相结构调控示意图；(b-d) 2H-MoS₂、1T/2H-MoS₂、K-MoS₂ 和 K-MoS₂@C 的 XRD、Raman 图谱 ; (e-g) XPS 光谱。

图3 2H-MoS₂、1T/2H-MoS₂、K-MoS₂ 和K-MoS₂@C电极材料的微观形貌表征

通过XRD和Raman光谱证实了K⁺预插入实现MoS₂层间距从0.729扩展到0.941 nm。拓宽的层间距为大半径的离子传输提供快速的通道，同时K⁺弱化层间静电作用并作为层间支柱，防止晶格应力引起的结构坍塌，实现离子传输动力学和反应动力学的调控。XPS结果表明随着K⁺的引入，可以实现MoS₂相结构从2H到1T相的调控，提高电极材料的本征导电性，从而提高其倍率性能。

要点二：基于双结构策略表现出优异的氧化还原活性和高电化学性能

图4 MoS₂基AZIBs的电化学性能

通过CV曲线氧化还原峰之间的峰位差，证明了K⁺的引入对氧化反应活性的改善。K-MoS₂@C在1 A g^-1下具有153 mAh g^-1的比容量，在5 A g^-1下经过3000次循环容量保持为86.7%，展示出高的可逆比容量、杰出的倍率性能和优异的循环稳定性。

要点三：基于双结构策略提高的电极反应动力学和离子扩散动力学

图5 （a-f）MoS₂基电极材料的动力学分析；（g-h）GITT曲线；（i-l）不同电位下的原位EIS曲线。

动力学分析证明了K⁺的引入是改善反应动力学的关键。不同电位下的EIS 曲线表明，初始2H-MoS₂在Zn²⁺存储过程中受到层间静电作用、层间距、电子导电性限制；随着层间距的扩展和大量1T相结构构建，可以提升K-MoS₂@C的氧化还原反应能力；碳纳米球基底为K-MoS₂@C提供了快速的离子传输过程和反应动力学。

图6 （a-b）不同电位下的非原位XRD图谱；（c）第二次充放电循环过程中的原位Raman光谱；（d-g）完全充放电下的非原位XPS图谱；（h-k）完全充放电下的非原位TEM图谱；(l) K-MoS₂@C纳米花电极的反应机理示意图。

要点四：K-MoS₂@C基准固态ZIBs的生物相容性和可降解性

图7 (a) 准固态 ZIB 的示意图；(b) 不同扫速下的CV曲线；(c) 1 A g^-1 时的循环性能；(d) 1 mA cm^-2 时不同弯曲角度下的循环性能；(e) 5 A g^-1 时的循环性能；(f)不同浓度K-MoS₂@C与细胞共同培养后的存活率；(g) 细胞与 K-MoS₂@C 共同培养后的荧光图像；(h) 准固态ZIB器件工作电压的光学图像；(i) 准固态ZIB 器件在 37 ℃ 和 80 ℃ 下浸泡在 PBS 中的溶解照片。

文章链接

F. Li, H. Ma, H. Sheng, Z. Wang, Y. Qi, D. Wan, M. Shao, J. Yuan, W. Li, K. Wang, E. Xie, W. Lan, Interlayer and Phase Engineering Modifications of K-MoS₂@C Nanoflowers for High-Performance Degradable Zn-Ion Batteries. Small 2023, 2306276.

https://doi.org/10.1002/smll.202306276

通讯作者简介

兰伟，兰州大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，入选全球前2%顶尖科学家榜单，甘肃省普通高校青年教师成才奖获得者。西北四省电子显微镜学会第一届理事，丝绸之路新材料国际产学研用联盟理事，北京工业大学学报青年编委，佳木斯大学学报（自然科学版）特聘专家，宁夏工程技术编辑委员会委员。主持国家自然科学基金4项（面上两项）、国家重大研究计划项目1项，甘肃省自然科学基金2项，青海省科技项目2项，其它各类项目10余项。目前主要从事柔性电子学领域的应用基础研究，具体包括透明热疗片、透明柔性传感器、透明柔性超级电容器、生物可降解超级电容器、透明氧化物半导体薄膜等。在Sci. Adv.、PNAS、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际权威期刊上发表SCI 论文100余篇，ISI统计SCI论文被引用4000多次，H因子为38，申报国家专利24项，其中已授权10项。主编《电子材料与器件实验》教材一部，参与编写英文专著一部。

兰伟教授领衔的兰州大学柔性电子科研团队由物理学院、信息学院、口腔医学院和基础医学院的十多位教授、副教授组成。现在面向国内外公开招聘青年才俊，岗位包括青年研究员、博士后，研究方向为能源、传感器、光电探测器，或其他柔性器件相关。