MoS2/PPy异维光电正极界面工程用于高效光充电锌离子电池

研究简介

光充电锌离子电池(PRZIB)是一种集太阳能收集、转换和存储于一体的先进能源系统。然而，光生载流子分离和传输效率低下阻碍了PRZIB的实际应用，限制了其光电池输出效率(PCE)。本文，我们首创了一种独特的“2D-on-1D”异维结构策略，构建了MoS2/聚吡咯(PPy)三维光电正极结构。该异维结构结合了1DPPy网络的高比表面积和2DMoS2纳米片丰富的活性位点，同时增强了光活性材料和导电材料之间的界面接触，突破了传统2D平面电极的界面限制。同时，MoS2/PPy界面通过Mo-N键诱导的d-p轨道杂化实现载流子定向传输，改善了界面电荷转移动力学。得益于上述优势，组装的PRZIB实现了508mAhg−1/1太阳光的高比容量和1.3%的高光电转换效率。这种光电正极“异维协同界面工程”不仅为改善载流子动力学和界面设计提供了一种可推广的方法，也为设计先进光电正极材料提供了一种有效的策略。

图文导读

图示1.MoS2/PPy@CC光电正极的合成过程和结构优势示意图。

图1.MoS2/PPy@CC的形貌和结构特征。(a)MoS2/PPy@CC的SEM图；(b、c)光电阴极结构的HRTEM图；(d)C、N、Mo和S的EDS元素映射；(e)XRD；(f)拉曼；(g)PPy@CC、MoS2@CC和MoS2/PPy@CC的XPS。

图2.光电正极的光响应特性和电荷转移动力学。(a)MoS2和MoS2/PPy堆叠PD在不同条件下记录的I-V曲线；(b)在无外加电压的情况下在交替的暗和照明条件下记录的不同堆叠器件的I-t曲线；(c)MoS2和PPy的紫外可见吸收光谱和Tauc图；(d)MoS2/PPy光电正极的能带图；(e)MoS2/PPy和纯MoS2样品的归一化稳态PL发射光谱和(f)时间分辨的PL信号；(g)MoS2/PPy@CC//Zn纽扣电池在无外加电压的交替条件下的I-t曲线（右）和相应的测试模型图（左）。

图3.光电正极表面光电子转移的可视化与分析。MoS2/PPy@ITOPD（a、b）和MoS2@ITOPD（c、d）在黑暗和光照条件下的示意图、相应的表面形貌（AFM）和表面电位（KPFM）图。不同条件下MoS2/PPy@ITO（e）和MoS2@ITO（f）PD之间的电位差。

图4.MoS2/PPy光电正极的电化学性能。(a)MoS2/PPy@CC//ZnPRZIBs工作机理示意图；(b)不同条件下PRZIBs在0.2mVs−1下的CV曲线；(c)不同条件下PRZIBs的倍率容量性能；(d)不同条件下不同电流密度下的恒电流充放电曲线；(e)PRZIBs在光照和黑暗条件下经过三次循环后的EIS光谱；(f)PRZIB在黑暗条件下在0.5Ag−1电流密度下的循环性能；(g)PRZIBs在光照和黑暗条件下的DRT光谱；(h)不同光充电电池系统的PCE比较；（i）PRZIBs经过2小时光充电（仅有光）并在黑暗中以不同的特定电流放电的电压-时间（v-t）曲线。

图5.MoS2/PPy@CC光电正极的本征特性。(a)通过DFT计算优化的不同视点下MoS2/PPy的差分电荷密度分布；(b)受Mo-N键调控的MoS2/PPy光电正极原子界面优化结构；(c)Mo-d和N-p轨道的投影态密度；(d)MoS2/PPy模型能带结构示意图：接触前(I)、接触后(II)和光照下(III)。

图6.不同条件下MoS2/PPy光电正极在充放电过程中的结构演变。(a)PRZIB中MoS2/PPy@CC光电正极的恒电流第一次放电/充电循环曲线。(b)光照下选定电压下MoS2/PPy光电正极的非原位XRD图和放大截面；在光照(c)和黑暗(d)条件下放电至0.2V并充电至1.3V的MoS2/PPy@CC的HRTEM和映射元素图；在选定电压下MoS2/PPy@CC的Mo3d(e)和Zn2p元素(f)的非原位XPS光谱。

图7. QSSPZ的可穿戴应用。(a)柔性QSSPZ结构示意图；(b)由两个串联QSSPZ供电的带有“SCNU”的LED广告牌（左）和由三个串联QSSPZ供电的手机（右）的光学图像；(c)在黑暗和照明条件下，0.5mAcm−2时QSSPZ的首次充电/放电曲线；(d)在不同条件下对QSSPZ进行的一系列安全测试，包括弯曲、切割、挤压和浸泡；(e)在黑暗和照明条件下测试的柔性QSSPZ的电压-时间曲线；(f)显示了自供电可穿戴QSSPZ系统工作原理的示意图级框图；(g)由四个串联集成的QSSPZ供电的ECG传感器的光学图像（左）以及在运动模式和放松模式下从ECG传感器获得的动态信息。

研究结论

本研究提出一种创新的“2D-on-1D”多维电极设计策略，通过原位聚合定向生长，实现二维MoS2纳米片（“光收集器”）垂直锚定于一维聚吡咯（PPy）导电网络（“电子高速公路”）上。该设计通过一维PPy骨架实现了电子的快速传输，提供了较大的比表面积，同时利用MoS2丰富的活性位点提高了光吸收效率。这些特性有效地解决了界面电荷传输和光吸收效率低的局限性，这是光可充电锌离子电池（PRZIB）中的关键挑战。通过Mo-N键诱导的d-p轨道杂化实现了界面处的定向载流子传输，突破了传统II型异质结的能带垒限制，改善了界面电荷转移动力学。基于这些创新，所提出的结构将PRZIB的比容量在100mAg−1时从260提高到508mAhg−1，在1太阳照射下，0.5mAcm−2时光电池输出效率（PCE）高达1.3％。此外，基于该结构的准固态光充电锌离子电池（QSSPZ）表现出机械灵活性和操作稳定性。这些器件可以组装成集成电池系统，为可穿戴电子设备供电。这一成果不仅有效地解决了传统电极固有的动力学限制和结构不稳定性，而且为合理设计高效的双功能光电正极提供了通用策略。这项研究为下一代PRZIB的开发和在可持续能源转换系统中的实际应用铺平了道路。