TiO2＠Carbon＠MoS2多級三層納米管的構築及其在鋰離子電池中的應用

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為了滿足社會對高能量密度和長壽命鋰離子電池的迫切需求，研究人員致力於開發新型高性能的電池負極材料。MoS2作為典型的二維材料具有很高的理論容量，是潛在的鋰離子電池負極材料。然而，MoS2電極在充放電過程中體積變化大，導致容量快速衰減；同時，其低導電率也限制了倍率性能，構築基於MoS2的複合材料是克服MoS2電極上述缺陷的一個有效的策略。TiO2電極在循環過程中體積變化小，被認為是合適的載體材料或保護層，用於構築MoS2和TiO2的複合電極材料。但由於材料自身的導電率較低、鋰離子傳輸動力學緩慢以及循環過程中較明顯的體積變化，已開發的MoS2和TiO2複合電極材料的鋰電存儲性能仍需進一步提高。碳材料因具有優異的導電性已廣泛應用於電極材料，而氮摻雜可以進一步提高其電化學性能。另一方面，近年來的研究表明，多級空心納米結構可有效緩解電化學過程中的體積形變、縮短鋰離子和電子的傳輸距離，並增加活性位點與電解液之間的接觸面積，在電化學能源轉化與儲存中表現出顯著的優勢。

近日，新加坡南洋理工大學的樓雄文教授團隊將上述策略進行優勢整合，通過在模板MnO2納米線上連續包覆TiO2和氮摻雜碳（NC）合成了TiO2@NC雙層納米管。隨後，他們在TiO2@NC納米管上組裝一層超薄MoS2納米片，構築了TiO2@NC@MoS2多級三層納米管。在構築的多級三層管狀納米結構中，內層TiO2納米管可以有效緩解電極在充放電過程中的體積形變、縮短鋰離子的傳輸路徑；中間氮摻雜碳層可提高電極的導電性、維持電極的整體形貌、抑制外層MoS2納米片的團聚；外層超薄MoS2納米片可以增大電極和電解液的接觸面積、促進電子和鋰離子的傳輸。複合電極中三種功能材料的協同作用在鋰電存儲中表現出優異的性能。