蘇州納米所等制備出高性能纖維狀銨根離子贗電容負極

銨根離子作為非金屬離子，具有安全性高、摩爾質量低、水合離子半徑小、離子電導率高、資源豐富等特點，在可穿戴水系超級電容器中表現出較大優勢。高能量密度柔性銨根離子非對稱超級電容器的應用前景廣闊，但由于缺乏高容量贗電容負極相關研究，發展高能量密度的銨根離子非對稱超級電容器仍具有挑戰性。近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所等研究人員提出將MoS₂@TiN異質結陣列直接生長在碳納米管纖維上（MoS₂@TiN/CNTF）,由于該異質結陣列具有豐富的活性位點以及顯著的多組分協同效應，成功制備出了高性能纖維狀銨根離子贗電容負極。 

　　該研究通過水熱和高溫氮化方法在碳納米管纖維表面合成具有核殼異質結構的MoS₂@TiN納米陣列(圖1a-d),其中，具有贗電容特性的MoS₂納米片均勻致密的錨定在高導電性TiN納米線陣列表面。DFT模擬計算態密度(DOS)表明，由于這種獨特的異質結構協同作用，MoS₂和TiN的導電性得到了明顯提升。 

　　研究人員進一步對銨根離子的存儲行為進行了電化學研究（圖2）。相對于單一結構和組分的TiN/CNTF、MoS₂/CNTF電極材料，MoS₂@TiN/CNTF展現出優異的贗電容特性和高的容量(1044.3 mF cm^-2, 4 mA cm^-2)，這歸功于MoS₂@TiN復合材料本身的三維分級結構的協同效應。理論計算證明，高導電性TiN不僅改善了MoS₂對NH₄⁺的結合能力，而且由于NH₄⁺的存在導致了MoS₂@TiN異質結構界面處的電荷重新分布而形成內建電場，進一步提高了與NH₄⁺的結合強度。 

　　該研究組裝的基于MoS₂@TiN/CNTF的準固態纖維狀銨根離子非對稱超級電容器（FAASC），表現出良好的機械柔性、電化學可逆性和典型的贗電容特性。在2 mA cm^-2電流密度條件下，其比電容和能量密度分別達到了351.2 mF cm^-2、195.1 μWh cm^-2和2.0 V高的電勢窗口。

　　該工作揭示了自支撐的MoS₂@TiN核殼異質結陣列作為柔性FAASC器件負極材料的合理設計，展現出良好的機械柔韌性、高的比容量和寬的電勢窗口，促進了高能密度可穿戴銨根離子非對稱超級電容器的進一步發展。相關研究成果以Arrayed Heterostructures of MoS₂ Nanosheets Anchored TiN Nanowires as Efficient Pseudocapacitive Anodes for Fiber-Shaped Ammonium-Ion Asymmetric Supercapacitors為題發表在ACS Nano上。