基于原子薄层二硫化钼电极材料的超电容性能及电荷存储机理研究

The low conductivity and limited diffusion of ions result in poor performance of MoS2 as electrode materials for supercapacitors. To address these issues, this project aims to fundamentally increase the conductivity and electrochemical activity by exfoliating MoS2 to several or single layer(s). The project will systematically explore the supercapacitive behavior and charge storage mechanism of atomic layered MoS2; set up methodology for fabricating highly-dispersive atomic layered MoS2 based composites with excellent conductivity and reaction activity to achieve high faradic pseudocapacitance and good rate capability. Through the project, system knowledge of the electrochemical behavior of transition metal sulfides in supercapacitors will be established, at the same time, the synthesis, structure control, charge storage mechanism and optimization of the supercapacitive performance will be comprehended, which will offer a reference and guidance for the research and development of novel electrode materials for supercapacitors to achieve both high power density and energy density.

MoS2块体材料的电子传输性能差，离子在其层间扩散缓慢，限制了其法拉第准电容的充分发挥。针对上述问题，本项目拟从改变晶体结构出发，通过剥离MoS2至原子薄层，使其从半导体转变为具有金属或准金属特性的材料，本质上提高其导电能力和反应活性。本项目将对原子薄层MoS2的特征超电容行为进行系统研究，探讨电荷存储机制；并以此为指导，建立基于原子薄层MoS2的多级复合电极材料的合成方法，在保留原子薄层MoS2高导电性和丰富活性位的基础上发挥复合材料的协同作用，解决MoS2法拉第准电容低、倍率性能差的主要问题。通过开展本项目研究，将对过渡金属硫化物电极材料超电容行为形成系统认识；同时，深入理解并掌握原子薄层MoS2纳米复合材料的可控制备、微观结构调控、超电容性能优化以及相关机理，将为开发高效、经济的新型超级电容器电极材料，实现高能量密度与高功率密度的协调统一提供参考和指导。

针对MoS2块体材料电子传输性能差、离子在层间扩散缓慢的问题，工作以提高电子、离子传输能力为核心，研究了硫化钼纳米薄层复合材料的结构设计、可控制备、晶体结构及超电容性能。项目工作已建立了基于原子薄层MoS2多级复合纳米电极材料的设计方法，实现了对形貌、组成成分、晶体结构的调控。掌握了MoS2纳米薄层的特征电化学行为，明确了复合材料的结构、成分、晶体结构与导电性、比电容、循环寿命的联系，揭示了MoS2薄层与复合成分的协同作用机制。发展了一系列高性能的超电容电极材料，实现了高能量密度与高功率密度的协调统一。在此基础上，将原子薄层MoS2及其结构设计思路和实验方法进一步拓展，获得了一系列具有高容量、高倍率、长循环寿命的锂/钠离子电池负极材料和高活性的电解水催化剂。