Rare Metals 湖南理工学院侯朝辉：喷雾热解法制备W掺杂MoSe2/rGO纸团状微球：优化微观和介观结构增强材料储锂性能

     2024年04月19日

喷雾热解法制备W掺杂MoSe2/rGO纸团状微球：优化微观和介观结构增强材料储锂性能

王溦，陈俊宇，欧阳杰，尹红*，李奥杰，陈梁，黄军林，朱宇灿*，李刚勇，侯朝辉*

湖南理工学院先进碳基功能材料湖南省重点实验室

湖南理工学院化学化工学院

中南林业科技大学材料科学与工程学院

伊比利亚国际纳米研究中心

 

【文献链接】

Wang, W., Chen, JY., Ouyang, J. et al. Spray pyrolysis-derived W-doped MoSe2/rGO paper-like microspheres: optimization of microstructure and mesostructure for enhanced lithium storage. Rare Met. (2024).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02662-4

 

【背景介绍】

二维MoSe2作为锂离子电池负极的候选材料，其电导率和储锂比容量仍然需要优化。本工作通过超声喷雾热解法成功制备了W掺杂MoSe2/rGO纸团状微球，实现了材料在微观结构和介观结构上的优化，提高了材料的储锂性能。首先，通过利用MoSe2和rGO相近的二维结构，采用喷雾热解法实现二者的自组装，从而在微观尺度上构造了范德华异质结构，增强了复合材料的电子和离子传输能力。其次，介观尺度的纸团状微球形貌提供了额外的体积膨胀缓冲空间。此外，W掺杂不仅增加了MoSe2的层间间距(0.73 nm)，从而减小了Li+的扩散阻力，还可以调整材料的能带结构。DFT计算证实了W掺杂的MoSe2/rGO具有最窄的带隙（0.892 eV）。因此，该复合材料表现出优异的储锂性能，在1 A·g-1的电流密度下300次循环后仍可保持732.9 mAh·g-1的比容量。

 

【文章亮点】

1.采用简单的喷雾热解法和热处理硒化成功制得了W掺杂MoSe2/rGO复合材料；

2.复合材料具有独特的纸团状微球介观形貌；

3.复合材料中rGO与MoSe2自组装构造的微观范德华异质结构可以促进电子和离子传输；

4.复合材料独特的微观和介观结构赋予了其优异的储锂性能，在1 A·g-1的电流密度下300次循环后仍可保持732.9 mAh·g-1的比容量。

 

【内容简介】

日前，湖南理工学院先进碳基功能材料湖南省重点实验室侯朝辉教授、王溦副教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Spray Pyrolysis Derived W-doped MoSe2/rGO Paper-like Microspheres: Optimization of Microstructure and Mesostructure for Enhanced Lithium Storage”的研究文章，运用喷雾热解法制备W掺杂MoSe2/rGO纸团状微球，实现了材料在微观结构和介观结构上的优化，提高了材料的储锂性能。

在氧化石墨烯分散液中加入钼酸铵、钨酸铵和六亚甲基四铵，通过喷雾热解和随后的热处理硒化，成功制备出W掺杂MoSe2/rGO纸团状微球。研究发现，该复合材料具有独特的微观和介观结构，构造的范德华异质界面和纸团状微球形貌均能提升材料的储锂性能。此外，杂原子W的掺入也可以调节材料的能带结构，进一步提升材料性能。 

 

【图文解析】

图 1 (a) MoSe2(W 5%)/rGO的制备示意图；MoSe2/rGO-1和MoSe2(W 5%)/rGO的 (b) XRD谱图和 (c) Raman光谱图；MoSe2/rGO-1和MoSe2(W 5%)/rGO的(d) XPS全谱、(e) Mo 3d 和 (f) Se 3d 高分辨谱。

通过喷雾热解法可成功制备W掺杂MoSe2/rGO复合材料。Raman结果表明，该材料中的MoSe2主要为2H相。XPS结果证实了杂原子W的成功掺入。

图 2 (a-d) P-MoSe2/rGO-1、MoSe2/rGO-0.5、MoSe2/rGO-1和MoSe2/rGO-1.5的SEM图像；(e-g) MoSe2/rGO-1的HRTEM图像；(h) MoSe2/rGO系列样品的氮气吸/脱附等温线和内嵌的孔径分布曲线。

喷雾热解得到的硒化前驱体具备微球形态，在随后的热处理硒化过程中rGO与MoSe2之间发生自组装，从而使材料的微球形态进一步舒展，因此MoSe2/rGO复合材料呈现独特的纸团状微球形貌。并且，rGO和MoSe2之间自组装构造形成了范德华异质界面。

图 3 MoSe2(W 5%)/rGO 的 (a) SEM 图像、(b) TEM 图像、(c) HRTEM 图像、(d) 元素分布图像和 (e) EDS 能谱。

掺入杂原子W后，复合材料依然呈现纸团状微球形貌并且实现了MoSe2层间距的宽化。元素分布图像和EDS能谱结果证实了材料中W的均匀掺入。

图 4 (a) MoSe2(W 5%)/rGO在0.5 mV·s-1扫速下的CV曲线；(b) MoSe2(W 5%)/rGO和MoSe2/rGO-1在0.2 A·g-1电流密度下的首圈充放电曲线；MoSe2(W 5%)/rGO和MoSe2/rGO-1在 (c) 0.2 A·g-1和 (d) 1 A·g-1电流密度下的放电容量循环曲线；MoSe2(W 5%)/rGO 和 MoSe2/rGO-1 (e) 在 0.1 A·g-1、0.2 A·g-1、0.5 A·g-1、1 A·g-1 和 2 A·g-1 不同电流密度下的倍率性能和 (f) 可逆容量保持率直方图。

相比MoSe2/rGO-1，MoSe2(W 5%)/rGO在大电流密度和小电流密度下均展现出更优异的储锂容量和循环稳定性。其倍率性能较好，展现出优异的快速嵌脱锂能力。

图 5 (a) 不同扫速下MoSe2(W 5%)/rGO的CV曲线；(b) 扫速为1 mV s-1时的CV电容贡献结果；(c) CV峰电流相对扫速平方根的线性关系曲线；(d) MoSe2(W 5%)/rGO和MoSe2/rGO-1的表观锂离子扩散系数；(e) MoSe2(W 5%)/rGO 和 MoSe2/rGO-1 的电化学阻抗谱及内嵌的等效电路图；(f) Warburg阻抗线性拟合结果。

MoSe2(W 5%)/rGO优异的储锂性能来源于其较好的储锂动力学性能。其构造的范德华异质界面促进了材料对锂离子的吸附，容量中的电容贡献率高达52.2%，因而MoSe2(W 5%)/rGO在大电流和倍率放电的条件下均展现出优异的性能。此外，由于W的掺入宽化了MoSe2的层间距，并且构造的范德华异质界面也有促进离子和电子传输的作用，因而MoSe2(W 5%)/rGO的表观锂离子扩散系数较高，在体相储锂时可以减少极化，展现更优的储锂容量。

图 6 (a) MoSe2(W 5%)/rGO 的计算模型和差分电荷密度结果；(b) MoSe2/rGO和 (c) MoSe2(W 5%)/rGO的态密度结果。

DFT计算结果证实了W的掺入可以增强范德华异质界面的电荷转移，并且材料的带隙变窄，增强了本征导电性。

 

【全文小结】

1.采用简单的喷雾热解策略成功制备了MoSe2(W 5%)/rGO纸团状微球；

2. W掺杂促进了MoSe2和rGO之间的相互作用，从而形成了更有效的范德华异质结构；

3. 纸团状微球结构提供的体积膨胀缓冲空间以及范德华异质结构促进的表界面锂离子吸附，赋予了复合材料优异的储锂性能；

4. DFT计算揭示了W掺杂在优化MoSe2/rGO的储锂性能中的作用。

 

【作者简介】

王溦，湖南理工学院，副教授，岳阳市科技特派专家。2018年在华中科技大学取得材料物理与化学博士学位。目前在先进碳基功能材料湖南省重点实验室从事科学研究，研究领域涉及离子电池电极材料、电催化材料、固态电解质等。主持（完成）国家自然科学基金项目1项、湖南省自然科学基金项目2项；在Journal of Energy Chemistry、Journal of Materials Science & Technology、Chinese Chemical Letters等刊物发表论文50余篇，H因子23；申请发明专利10项（授权3项）。

侯朝辉，湖南理工学院，教授，先进碳基功能材料湖南省重点实验室主任、湖南省高校学科带头人、湖南省新世纪121人才工程人选、湖南省科技人才托举工程项目人选。主要从事纳米材料的制备及其在新型化学电源、光电催化、应用电化学等方面的应用研究。主持（完成）国家级项目5项，省部级项目4项。研究成果在Energy Storage Mater.、J. Energy Chem.、J. Mater. Sci. Technol.等国际期刊发表论文90余篇；获湖南省自然科学奖二等奖1项（排1）、中国有色金属工业科学技术奖一等奖1项（排5）。