武汉大学钱江锋课题组Nano Letters：电势匹配的化学锂化插层法高效制备单层二硫化钼纳米片- 大数跨境

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武汉大学钱江锋课题组Nano Letters：电势匹配的化学锂化插层法高效制备单层二硫化钼纳米片

科学材料站

2022-03-21

导读：本文出了一种基于“电势匹配性”原则的化学锂化插层法，并筛选出了具有合适电位的芘锂试剂

文章信息

化学锂化插层法高效制备单层二硫化钼纳米片

第一作者：朱晓龙，苏子佩

通讯作者：钱江锋*

单位：武汉大学

研究背景

锂离子插层辅助剥离法是制备二硫化钼纳米片最古老且最有效方法。传统的锂化试剂一般是正丁基锂和萘锂，然而，正丁基锂反应活性极高，空气中易自燃；萘锂还原性过强，易导致材料结构的破坏，这些都阻碍了其在实际生产应用。因此，寻找到一种安全高效的化学锂化试剂，既能保证锂离子的充分嵌入，又不会引起二硫化钼的分解，从而实现二硫化钼纳米片的高效制备，仍然是亟待解决的问题。

文章简介

基于此，武汉大学钱江锋团队出了一种基于“电势匹配性”原则的化学锂化插层法，并筛选出了具有合适电位的芘锂试剂，在1小时内实现二硫化钼的快速锂化，成功剥离制备出单层二硫化钼纳米片（图1）。

该方法为二硫化钼纳米片的高效制备提供了一个全新的路径，并对其他二维材料插层剥离方法的设计具有着重要的指导意义。相关成果以标题为“Exfoliation of MoS₂ Nanosheets Enabled by a Redox-Potential-Matched Chemical Lithiation Reaction”发表在Nano Letters上。武汉大学本科生朱晓龙为文章第一作者，硕士研究生苏子佩为共同第一作者。

图1. 基于“电势匹配性”原则的化学锂化插层法实现二硫化钼纳米片高效快速剥离

本文要点

要点一：最佳锂化试剂的筛选

作者首先研究了MoS₂在电化学嵌锂过程中的结构演变，如图2所示，发现其在1.13 V vs Li⁺/Li和0.55 V时分别发生层间嵌锂反应和转换分解反应，因此，当有机锂试剂电位高于1.13 V 时，无法实现锂离子充分嵌入，而低于0.55 V则会造成材料的分解，由此得出理想的有机锂试剂电位应介于1.13 V和0.55 V之间。

为了找寻到一种合适的锂化试剂，作者目光投向了结构和还原电势可调，且性质温和的芳香锂试剂上，筛选出了电位合适的芘锂（0.86 V）作为最佳锂化试剂，以实现锂离子的充分嵌入且避免材料的破坏。

图2. 锂化试剂的筛选以实现MoS₂精准插层反应

要点二：芘锂与萘锂试剂插层效果的对比

选取电位合适的芘锂作为锂化试剂，将MoS₂粉末加入芘锂溶液，只需在室温下反应1小时，即可得到化学计量比的LiMoS₂锂插层化合物（图3）。与之相对的是，采用萘锂试剂进行插层反应，则会导致MoS₂结构发生明显破坏，分解为单质钼和硫化锂。

图3. 采用芘锂和萘锂试剂进行锂化插层反应效果对比

要点三：液相剥离制备高质量单层纳米片

将与芘锂反应后收集的LiMoS₂锂插层化合物，置于水中超声剥离，即可获得MoS₂纳米片悬浮液。采用透射电镜、原子力显微镜、扫描电镜以及拉曼光谱等手段对产物进行形貌和结构的表征（图4）。结果表明，该方法成功制备出了高质量的MoS₂纳米片，其平均尺寸在300 nm左右，且单层产率高达80%。

图4. 剥离制备的MoS₂纳米片的形貌表征

要点四：优异的电化学性能

剥离的MoS₂纳米片经冷冻干燥收集粉末，并组装Li/MoS₂半电池测试以评估其电化学性能（图5）。其表现出优秀的循环稳定性能和较高的倍率性能，这归因于超薄的纳米片结构，提供了更大的比表面积和更快的界面反应，同时缓解了锂离子嵌入及脱出时的体积膨胀。

图5 剥离的MoS₂纳米片在锂离子电池中的电化学性能

文章链接

Exfoliation of MoS₂ Nanosheets Enabled by a Redox-Potential-Matched Chemical Lithiation Reaction

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00148

通讯作者简介

钱江锋教授博导

武汉大学副教授，博士生导师。近年来一直致力于新型电化学储能材料与技术研究，包括锂离子电池化学补锂技术、锂金属电池枝晶抑制策略以及钠离子电池储钠材料设计等。在上述研究领域共发表SCI论文80余篇，其中一作/通讯作者身份论文41篇，包括Nature Commun., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Lett.等；论文共被引11120余次，其中70%以上来源于一作/通讯论文贡献；单篇最高被引1310次，H指数51；连续入选2019和2020年爱思唯尔中国高被引学者；担任《物理化学学报》、《Rare Metals》、《稀有金属》等期刊青年编委。