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Architectural van der Waals Bi2S3/Bi2Se3 topological heterostructure as a superior potassium-ion storage material

材料科学 异质结 范德瓦尔斯力 阳极 纳米线 高分辨率透射电子显微镜 离子 化学工程 纳米技术 光电子学 拓扑(电路) 透射电子显微镜 电极 物理化学 分子 化学 工程类 有机化学 组合数学 数学
作者
Yi‐Yen Hsieh,Hsing‐Yu Tuan
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:51: 789-805 被引量:68
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.07.020
摘要

• A hexagram-like 1D/2D van der Waals heterostructure (vdWH) composed of regularly crosslinked Bi 2 S 3 nanowires on Bi 2 Se 3 nanoplates was fabricated. • The Bi 2 S 3 /Bi 2 Se 3 vdWH potassium ion anode delivers a specific capacity over 600 mA h g -1 at 50 mA g −1 and a high-rate capability up to 2500 mA g −1 . • The behavior of heterogeneous interfacial reaction in terms of the trapping ability and diffusion kinetics was realized. • The potassium ion battery exhibits an energy density of 208 Wh Kg −1 over 850 cycles. • The potassium ion hybrid capacitor exhibits an energy density of 106 Wh Kg −1 over 3000 cycles. We design a hexagram-like 1D/2D van der Waals heterostructure composed of regularly crosslinked aligned 1D Bi 2 S 3 nanowires on 2D Bi 2 Se 3 nanoplates, termed Bi 2 S 3 /Bi 2 Se 3 vdWHs, for use as anode materials for potassium ion batteries (PIBs) and hybrid capacitors (PIHCs). Thanks to the mixed dimensional topological heterostructures, the abundant network-contacted heterojunctions facilitate ordered ion/electron transport around the surface network and interior topological materials, and simultaneously promoting the K + diffusion, electron transfer, and electrolyte infiltration. The Bi 2 S 3 /Bi 2 Se 3 vdWHs deliver an attractive specific capacity over 600 mA h g -1 at 50 mA g −1 , a high-rate capability up to 2500 mA g −1 , and excellent cycling stability. Theoretical models, in tandem with operando X-ray diffraction and HRTEM analysis reveal the behavior of heterogeneous interfacial reaction in terms of the trapping ability and diffusion kinetics, confirming the reversible conversion reaction of Bi 2 S 3 /Bi 2 Se 3 vdWHs. Finally, the full cells of PIBs and PIHCs coupled with Bi 2 S 3 /Bi 2 Se 3 vdWHs anodes exhibit excellent performances of 208 and 106 Wh kg −1 over 850 and 3000 cycles, respectively, demonstrating their feasibility towards practical applications. Our study provides a new insight into architectural strategies for heterogeneous interfaces to realize intelligent kinetic control strategies of chalcogenide topological materials for advanced energy storage.
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