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兰州大学兰伟教授团队 Small：基于MoO3–MoS2异质结实现多种高性能生物可降解电化学储能器件

时间：2023-01-01 来源：浏览：

兰州大学兰伟教授团队 Small：基于MoO3–MoS2异质结实现多种高性能生物可降解电化学储能器件

化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#超级电容器 21 个

#电池 4 个

#生物可降解 4 个

#异质结 18 个

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新型生物可降解的植入式医疗电子器件在个性化健康监测和精准医疗方面具有巨大应用潜力。这种器件在完成任务后，可自行降解，并被生物体吸收，无需二次手术移除。然而，实现临床应用还面临着诸多挑战，尤其是缺乏与之相匹配的能源供应部件。目前，植入医疗电子器件的能源供应主要依靠传统电池，性能可靠。然而，电池往往坚硬、笨重，占据较大体积，且含有毒有害物质存在安全隐患，最关键的是使用结束后，需要二次手术移除，给患者带来很大痛苦。

近日，兰州大学兰伟教授领衔的柔性电子科研团队报道了一种基于水溶性 Mo 箔导电基底上原位生长二维 MoO ₃ -MoS ₂ 异质结纳米片阵列，将其作为高性能生物可降解赝电容电极，该电极具有 164.38 mF cm ⁻² (@0.5 mA cm ⁻² ) 的高面电容和长期循环稳定性。基于 MoO ₃ -MoS ₂ 异质结复合电极，组装得到了三种不同的电化学储能器件，包括对称超级电容器、锌离子混合超级电容器和镁原电池。得益于原位异质结构筑的策略，确保了活性材料与集流体良好的接触，以及垂直生长纳米片阵列相对开放的结构，使器件具有优异的电化学性能。具体而言，所制备的锌离子混合超级电容器在 0.5 mA cm ⁻² 时具有 181.86 mF cm ⁻² 的高面电容，能量密度为 30.56 µWh cm ⁻² 。镁原电池在空气和液体环境中具有稳定的高输出电压 ( ≈ 1.6 V) 和长寿命。所使用的材料具有良好的生物相容性和生物可降解性。相关的演示实验进一步证实了它们作为生物可降解能源器件的应用潜力，为解决植入式医疗电子器件的能源供应瓶颈提供了新思路。

该研究成果以 “ High-Performance Biodegradable Energy Storage Devices Enabled by Heterostructured MoO ₃ –MoS ₂ Composites ” 为题发表在国际权威期刊 Small 上。兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授为论文的通讯作者，兰州大学物理科学与技术学院硕士生邵明娇为论文的第一作者，博士生盛鸿伟为论文的共同一作。本工作得到了国家自然科学基金项目、青海省科技项目、中央高校基本科研业务费专项资金项目等项目资助的共同资助。

图 1 MoO ₃ -MoS ₂ 异质结复合电极的制备及结构表征。 a) MoO ₃ -MoS ₂ 复合电极制备流程图。 b) 电化学氧化后钼箔的 SEM 图。不同放大倍数下在 Mo 箔表面生长的 MoO ₃ -MoS ₂ 纳米片 c) 截面和 d) 表面的 SEM 图。 e) TEM, f) 高分辨率 TEM 图， g) 元素映射图。 h) MoO ₃ -MoS ₂ 异质界面电荷转移行为示意图。 i) MoO ₃ 和 MoO ₃ -MoS ₂ 复合电极的拉曼光谱。 j) Mo 3d 能级峰的 XPS 谱图。 k) MoO ₃ 和 MoO ₃ -MoS ₂ 复合电极的 FTIR 光谱。

图 2 MoO ₃ -MoS ₂ 异质结复合电极的电化学性能及溶解行为。 a) 纯 Mo 箔、 MoO ₃ 、 MoS ₂ 、 MoO ₃ -MoS ₂ 复合电极的 CV 曲线对比。 c) 不同扫描速率下 MoO ₃ -MoS ₂ 复合电极的 CV 曲线和 d) 不同电流密度下的 GCD 曲线。 e) 倍率性能。 f) 电化学稳定性以及异质界面增强电化学性能的示意图。 g) MoO ₃ -MoS ₂ 复合电极在 PBS 溶液中各阶段溶解的图片。比例尺为 2 厘米。 h) 溶解过程中 MoO ₃ -MoS ₂ 复合电极表面 ( 左 ) 和边缘 ( 右 ) 的 SEM 图。

图 3 对称超级电容器的电化学性能。 a) 器件储能机理示意图。 b) 不同扫描速率下的 CV 曲线和 c) 不同电流密度下的 GCD 曲线。 d) 倍率性能。 e) 循环稳定性。 f) 多个超级电容器进行不同串联和并联组合后的 CV 曲线

图 4 Zn//MoO ₃ -MoS ₂ 混合超级电容器的电化学性能。 a) 器件储能机理示意图。 b) 混合超级电容器在不同电压范围下的 CV 曲线。 c) 不同扫描速率下的 CV 曲线和 d) 不同电流密度下的 GCD 曲线。 e) 倍率性能。 f) 长期循环稳定性。四个串联混合超级电容器阵列构成的手环的 g) 可穿戴演示和 h) 在不同弯曲状态下的供能演示。

图 5 Mg//MoO ₃ -MoS ₂ 原电池的电化学性能。 a) 器件储能机理示意图。 b) 组装的原电池电池的截面 SEM 图和相应的元素映射图像。 c) 水凝胶和 PBS 水溶液电解质电池的放电曲线对比。 d) 不同电流密度下原电池的放电行为。 e) 在 37 ℃ 的 PBS 中测试封装原电池性能的示意图。 f) 原电池在空气当中 V _oc 的稳定性。 g) 原电池在 PBS 中为电子表供能的演示。比例尺为 2 厘米

图 6 降解和生物相容性评价。 a) 未封装的 Zn//MoO ₃ -MoS ₂ 混合超级电容器的厚度照片。 b) 封装的 Zn//MoO ₃ -MoS ₂ 混合超级电容器在 PBS 中各个阶段溶解的照片。比例尺为 2 厘米。 c) 以蜡为疏水包覆层的 Zn// MoO ₃ -MoS ₂ 混合超级电容器在 PBS 中的电容变化。比例尺为 2 厘米。 d) MoO ₃ -MoS ₂ 复合材料与细胞共培养 1, 3, 5 天的存活率。 e) 荧光图像。

作者简介

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兰伟，男，教授，博士生导师。甘肃省普通高校青年教师成才奖获得者。中国电子学会柔性电子技术分会第一届委员会委员（筹），西北四省电子显微镜学会第一届理事，丝绸之路新材料国际产学研用联盟理事，北京工业大学学报青年编委。

主持国家自然科学基金 3 项、教育部留学回国人员科研启动基金 1 项、甘肃省自然科学基金 2 项，其它各类项目 10 余项，参与北京市拔尖创新人才选拔计划 1 项、国防 863 子课题 1 项、各类横向项目 5 项。目前主要从事柔性电子学领域的应用基础研究，具体涉及柔性能源转换与存储、柔性传感器研究，包括透明热疗片、透明柔性传感器、透明柔性超级电容器、生物可降解超级电容器、透明氧化物半导体薄膜等。在 Sci. Adv. 、 PNAS 、 Adv. Mater. 、 Small 、 ACS Appl. Mater. Interfaces 、 J. Mater. Chem. 、 Nanoscale 、 J. Power Sources 、 APL 等国际权威期刊上发表 SCI 论文 100 多篇， ISI 统计 SCI 论文被引用 3200 多次， H 因子为 35 ，申报国家专利 24 项，其中已授权 9 项。主编《电子材料与器件实验》教材一部，参与编写英文专著一部。