印刷微型超级电容器二维氮化钼电极材料化学稳定性及电容性能研究

摘要

随着轻量便携化、可穿戴式、可植入电子器件的发展，迫切需要开发与其兼容的高储能密度、柔性化微型储能器件。微型超级电容器（MSCs）因其高能量/功率密度和长循环寿命，在微型储能器件领域具有广阔应用前景。丝网印刷技术提供一种可规模化、低成本、高通量的MSCs制造方法。印刷油墨是丝网印刷制备MSCs的关键材料，可印刷MSCs用油墨应具有高电导率、可调黏度及长期稳定性。目前MXene油墨在可印刷MSCs领域受到广泛的关注，但MXene材料在水氧环境中稳定性差，限制了其在水性油墨中的应用。开发在水氧环境，甚至酸碱环境中具有优异化学稳定性的二维过渡金属氮化物材料，对制备长期稳定的水性油墨至关重要。前期研究中，课题组发展了盐辅助的合成工艺，以MoS2为原料，可控制备出二维氮化钼（MoN）。本论文对二维MoN在水氧环境和酸碱环境中的化学稳定性展开研究，揭示其优异水氧稳定性机制，在此基础上，制备出二维MoN水性油墨，利用丝网印刷的方法制备平面叉指MSCs，研究了其电容性能。具体研究内容和创新点如下： （1）利用体相MoS2为前驱体，将其与Na2CO3混合，在NH3中热氮化处理，制备出二维MoN纳米片。深入研究了二维MoN纳米片在水、酸碱溶液以及高温空气腐蚀下的化学稳定性。研究发现，在水甚至是强酸/碱性（1MH2SO4/KOH）溶液中保存70天之后，二维MoN的形貌与物相无明显变化。然而Ti3C2Tx（MXene）纳米片在水中30天后就几乎完全氧化为TiO2颗粒，导致二维结构破坏。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，二维MoN表面含氧官能团少，而且在水中保存70天后，表面化学组成基本不变。在1MKOH溶液中，70天后，表面Mo-O的含量相对提升，仍保持Mo-N键为主。相比二维MXene材料，二维MoN在水氧环境，甚至酸碱环境中表现出优异的化学稳定性。将二维MoN分散在水、乙醇或NMP溶液中，均表现出很好的分散稳定性，二维MoN水分散液40天无明显沉降，在水性油墨中显示出应用潜能。 （2）利用羟丙基甲基纤维素为粘结剂，制备了二维MoN水性油墨，二维MoN水性油墨表现出可丝网印刷的假塑性非牛顿流体行为，可在多种基底上印刷出不同形状的MSCs电极。利用二维MoN水性油墨，在柔性PET基底上丝网印刷制备的平面叉指型MSCs，在0.05mAcm-2电流密度下，其面积比容量达到4.3mFcm-2，在17.5μWcm-2的功率密度下，能量密度为0.29μWhcm-2。而且器件表现出良好的循环稳定性和柔韧性，循环5000圈后容量保持率为84.3%，在柔性微型储能器件中显示出优异应用前景。