陕西科技大学黄剑锋、曹丽云、李嘉胤 JMCA：自模板法诱导中空WS2复合结构作高性能钠离子存储- 大数跨境

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陕西科技大学黄剑锋、曹丽云、李嘉胤 JMCA：自模板法诱导中空WS2复合结构作高性能钠离子存储

科学材料站

2021-08-26

导读：该文章报道了采用自模板法一步合成碳支撑的中空WS2长方体复合结构（H-WS2)。

文章信息

自模板法诱导碳支撑的中空WS2复合结构作高性能钠离子存储

第一作者：罗晓敏

通讯作者：黄剑锋，曹丽云，李嘉胤

第一单位：陕西科技大学

研究背景

钠离子电池以其低成本和高天然丰度的优点，成为一种有潜力的经济电化学储能系统。过渡金属硫化物具有丰富的氧化还原化学性质和显著的电化学活性，近年来在各种电化学储能器件中得到了广泛的研究。

在这些金属硫化物中，WS2因其独特的层状结构、较大的层间间距和较高的理论容量被认为是一种很有前景的钠离子电池负极材料。但Na+充放电过程中体积变化大，结构稳定性差，限制了其循环稳定性。

此外，其固有的导电性较差，导致其在钠存储过程中反应动力学较为缓慢。为了解决以上问题，进行各种结构设计是一种有效的策略。

构建空心结构是提高电化学性能的一种有效的结构设计。最值得注意的是，多孔空心结构金属硫化物在储存钠方面表现出了显著的优势。但仅采用中空结构不能满足快速、稳定的钠储存要求。因此，制备碳材料改性的中空结构是提高钠存储性能的有效策略。

目前，这些复合结构大多是使用复杂的硬模板和多步骤方法实现的，这些繁琐的步骤不利于工业应用。因此，采用一种温和、简单的方法来实现碳复合材料改性中空结构的构建是非常重要的。

基于此，采用自模板法一步合成了热解碳支撑的空心长方体复合结构。研究了复合结构的生长机理。独特的复合结构具有更好的结构稳定性和更快的电子，离子输运速度。制备的复合结构作为钠离子电池的负极材料，具有良好的循环稳定性和倍率性能。这种简便的自模板方法为空心金属硫化物和碳材料复合结构的合成提供了新的思路。

文章简介

本文中，陕西科技大学的黄剑锋教授，曹丽云教授和李嘉胤副教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表题为“Self-templated induced carbon supported hollow WS2 composite structure for high performance sodium storage”的论文。

该文章报道了采用自模板法一步合成碳支撑的中空WS2长方体复合结构（H-WS2)。一方面，中空的复合结构可以缓解充放电过程中的体积变化，表现出良好的结构稳定性；另一方面，热解碳和纳米片结构能有效促进电子/离子的输运，表现出快速反应动力学。

H-WS2电极表现出较好的储钠性能。在200 mA g -1循环100次后，可获得353.2 mAh g -1的高可逆容量。在5.0 A g -1的高电流密度下，可逆容量仍可达到236.7 mAh g -1。这项工作可为空心金属硫化物和碳材料复合结构的合成提供新的思路。

本文要点

要点一：采用自模板法一步合成碳支撑的中空WS2长方体复合结构

扫描和透射结果表明，未添加模板剂时，WS2结构体现为无规则的片状或球状。当利用葡萄糖作为模板剂后，H-WS2结构体现为中空的长方体结构，且纳米片之间有碳层的存在。

进一步利用EDS分析发现，W, S, C 元素的均匀分布，这更加证明了H-WS2结构中碳材料的存在，这说明我们利用葡萄糖作为模板剂，采用自模板法一步合成了碳支撑的中空WS2长方体复合结构。

图1 (a) (b) WS2扫描电镜图像; WS2的(c)TEM图像和(d) HRTEM图像;(e) (f) H-WS2扫描电镜图像; H-WS2的(g)TEM图像和(h) HRTEM图像; (i) H-WS2的EDS mapping图。

要点二：碳支撑的中空WS2长方体复合结构生长机制

为进一步探究H-WS2复合结构的生长机制，我们对其反应过程进行充分的研究，发现葡萄糖在低温下不溶于乙醇作为模板，使得钨和硫在其结构表面吸附成核，随着反应温度的升高，模板逐渐消解的同时初始的少层WS2形成。

而后进一步生长为纳米片状结构，在此过程中反应温度的提升也伴随着葡萄糖在高温下的碳化，从而形成覆盖在空心结构外层的碳层，最终得到碳支撑的中空WS2长方体复合结构。

图2 H-WS2复合结构生长机理图

要点三：基于H-WS2复合结构的储钠机制

H-WS2电极表现为碳支撑中空长方体WS2复合结构。首先，碳的存在有利于电子在纳米片之间的传输，有效地提高了电子的传输。

此外，中空结构有效地缓解了电极充放电过程中的体积膨胀。循环后，H-WS2电极仍能保持原有结构，表现出良好的循环稳定性和增强的反应动力学。

图3 H-WS2复合结构的储钠机理图

文章链接

Self-templated induced carbon supported hollow WS2 composite structure for high performance sodium storage

https://doi.org/10.1039/D1TA04858A

通讯作者介绍

黄剑锋教授。

陕西科技大学材料科学与工程学院教授，博士研究生导师，新世纪百千万人才工程国家级人选，享受政府特殊津贴专家，国家有突出贡献的中青年专家，研究方向主要集中于电化学储能材料及设备、光电催化能源材料和C/C复合材料及高温抗氧化涂层材料合成制备等领域。近年来在Nano Energy，Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B，ACS NANO, Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal, Small, Carbon，Journal of Energy Chemistry等国内外著名学术期刊发表论文共计400余篇，SCI收录论文200余篇，其中中科院JCR一区论文80余篇，EI收录 100余篇，单篇论文他引率最高达300余次。

曹丽云教授。

陕西科技大学材料科学与工程学院教授，博士研究生导师，“材料物理与化学”方向学术带头人。中国材料研究学会会员，中国硅酸盐学会溶胶-凝胶分会理事，主要从事纳米电池能源材料、纳米光电催化环境材料及C/C复合材料及高温抗氧化涂层材料的研究工作。Advanced Functional Materials，Applied Catalysis B，Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal, Carbon等多种权威期刊发表论文共计320余篇。

李嘉胤副教授。

陕西科技大学材料科学与工程学院副教授。研究方向为纳米功能材料合成与结构调控和高性能二次离子电池材料。近年来在Advanced Functional Materials，ACS Nano，Small，Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal，ACS Applied Materials & Interfaces，Journal of Power Sources等国外著名期刊上发表SCI收录文章共40余篇，获国家发明专利授权40件。