激光诱导石墨烯和MoS2纳米片的精确工程界面用于增强超级电容器电极性能

文章报道了用于柔性电化学储能应用的MoS₂纳米片、MoS₂/PI复合膜和MoS₂-LIG的制备。该合成工艺包括生产主要具有金属特性和半导体特性的MoS₂纳米片，从而分别确保高电导率和长期稳定性。通过优化激光直写工艺参数，制备了界面可控的高导电性、亲水性的MoS₂-石墨烯复合材料。对LIG电极和MoS₂-LIG电极的电化学特性进行了全面的研究和讨论。在此基础上，制备了一种对称、柔性、共面的MoS₂-LIG微超级电容器，并对其进行了分析。该器件具有较长的循环寿命和优异的机械稳定性，即使在弯曲条件下也是如此，因此非常适合集成到柔性和可穿戴设备中。

MoS₂掺入PAA中以制备MoS₂/PI复合膜的过程如图1所示。将钼酸铵(2.47 g, 2 mmol)和硫脲(0.76 g, 10 mmol)混合在60 mL去离子化溶液中，制备MoS2纳米片不断搅拌的水。然后将所得混合物转移到150 mL的特氟龙内衬不锈钢高压灭菌器中，密封(填充率为45%)，加热至200℃维持24小时。随后将高压灭菌器从烤箱中取出，冷却至室温。离心收集黑色沉淀物，用去离子水和乙醇洗涤三次，在80℃的烘箱中干燥12 h。将合成的MoS₂加入去离子水中50 mg，搅拌1 h，然后超声30 min制成悬浮液，制备脱落的MoS₂样品。将悬浮液以4000 rpm离心45 min，除去沉淀，然后收集上清液，并在18,000 rpm下进一步离心，以获得剥离的MoS₂样品。

图1.制备MoS₂、MoS₂/LIG膜和MoS₂/LIG MSC所涉及的步骤的示意图。

随后利用透射电镜（TEM）分析LIG和MoS₂-LIG复合样品的结构和形貌。图2a显示了LIG的TEM图像，显示了波纹和褶皱结构，这表明使用CO₂激光器成功制造了多层石墨烯。在图2b中，高分辨率TEM（HRTEM）图像证实了LIG的晶相，清楚地显示了几层石墨烯结构。LIG晶格平面表现出0.32nm的特征d-间距，对应于LIG的（002）平面结构。此外，图2c所示的选区电子衍射（SAED）图显示了与（002）和（100）相关的两个不同的平面。图2d显示了元素映射图像，其清楚地表明了LIG中存在碳（C）。

图2.（a，b）不同放大倍数下LIG的TEM照片;（c）SAED图案和（d）LIG样品的EDS映射图像。

图3a呈现了在50 mV/s的扫描速率下由各种膜制备的电极的CV曲线。比较曲线下的面积证实了MoS₂掺杂的积极效果。图3b示出了在不同扫描速率下由不同膜制造的电极的比电容。值得注意的是，与基于MoS₂/PI的电极相比，由原始PI膜制成的电极表现出较低的电流密度。原始PI基电极的Nyquist图如图c所示，显示了最高的等效串联电阻(ESR)，记录为180.6 O，超过了MoS₂/PI基电极。此外，原始PI基电极在高频区域呈现出更大的半圆，表明电荷转移电阻(Rct)为413 O，在较低频率下，斜率段与想象阻抗轴紧密对齐，形成一个大于45◦的角度，这反映了优异的电容性。图3d给出了电极的波德图，说明了它们的电导率和内阻特性。在高频下，原始PI电极的相位角记录为0.90,0.2 wt% MoS2/PI电极的相位角记录为0.50,0.5 wt% MoS₂/PI电极的相位角记录为0.60,1wt% MoS2/PI电极的相位角记录为0.75。

图3.(a)各种电极在50 mV/s下的CV曲线;（b）来自CV的各种电极的电容性能;（c）各种电极的奈奎斯特图;（d）来自原始PI和各种MoS₂/PI膜的电极的伯德图。

在5至100 mV/s范围内的扫描速率下测量的MoS₂-LIG装置的CV曲线示于图4a中。在5 mV/s的扫描速率下，该器件实现了14.1 mF/cm²的令人印象深刻的面积比电容，如图4b所示MoS₂-LIG器件的比电容反映了可逆氧化还原反应和EDLC的贡献，如图4c中所示的非线性GCD曲线和CV曲线中观察到的波动所证明的。图4d示出了所制备的柔性MoS₂-LIG器件的奈奎斯特图。ESR由高频区真实的阻抗（Re Z）轴上的截距确定。该ESR包括由电解质、电极材料和电极/电解质界面贡献的组合电阻。图4e示出了MoS₂-LIG装置的串联连接的CV曲线，其在跨越0至3V的电压窗口中显示出增强的线性。图4f呈现了MoS₂-LIG装置的Ragone图，与其他基于LIG的超级电容器相比，其在0.058mW/cm²的功率密度下实现了1.57mWh/cm²的显著更高的面能量密度。

图4.（a，b）从CV获得的MoS₂/LIG MSC的CV曲线和面积比电容;（c）从GCD获得的MoS₂-LIG器件的GCD曲线;（d）MoS₂-LIG器件的Nyquist图;（e）串联连接的MoS₂-LIG器件的CV曲线;（f）MoS₂-LIG器件与其它先前公布的基于LIG的MSC相比较的Ragone图;（g）MoS 2-LIG器件在0.5 mAcm⁻²下1000次循环的稳定性能;（h）串联柔性MoS₂-LIG器件为LED供电。

Precisely engineered interface of laser-induced graphene and MoS2 nanosheets for enhanced supercapacitor electrode performance

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.162230