石墨炔材料是一種唯一能通過低溫、常壓下合成,同時含有sp和sp2兩種雜化形式碳的二維平面全碳材料,是中國科學(xué)家在國際上引領(lǐng)的新的研究領(lǐng)域,具有中國知識產(chǎn)權(quán)。目前石墨炔已實現(xiàn)了樣品的快速宏量制備,及百平方厘米大面積、高質(zhì)量薄膜的可控制備(圖1)。石墨炔具有大共軛體系、優(yōu)異的導(dǎo)電性能、及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性,特別是豐富的分子孔道可以提供更多的存儲空間及位點,有利于鋰鈉等金屬的吸附及傳輸。因此,石墨炔材料在多種儲能器件方面均展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能和巨大的應(yīng)用空間。石墨炔的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究,一直吸引世界各國科學(xué)家的目光。
圖1.石墨炔材料在能源存儲器件中的應(yīng)用
近日,在中國科學(xué)院院士李玉良的指導(dǎo)下,中科院青島生物能源與過程研究所研究員黃長水帶領(lǐng)的碳基材料與能源應(yīng)用研究組,將石墨炔類材料先后應(yīng)用于鋰離子
電池、鈉離子
電池、超級電容器、鋰硫電池等多種能源存儲器件,并對石墨炔材料結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系進行了深入研究(圖1)。
圖2.硼代石墨炔在鈉離子電池中的應(yīng)用
該研究組研發(fā)、制備了一類新型的硼代石墨炔,并通過理論計算與器件性能表征相結(jié)合的方式對其能帶結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能及儲鈉機制進行深入分析。通過理論計算,研究了硼代石墨炔材料的能級在炔鍵(sp碳)與中心雜原子(B)上的分布情況,并進一步分析該類材料能級結(jié)構(gòu)與在實驗中所展現(xiàn)的輸運性能之間的關(guān)系。通過對硼代石墨炔雙層排列構(gòu)型的理論分析結(jié)果與實驗中獲得XRD散射角及分子孔道孔徑與分布情況相結(jié)合,探討了硼代石墨炔分子結(jié)構(gòu)與分子平面堆積方式,以及孔徑結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn),硼代石墨炔對鈉原子特殊的化學(xué)吸附作用,可以獲得極高的理論儲鈉容量。器件測試結(jié)果也證實以硼代石墨炔為電極材料的鈉離子電池,具有優(yōu)異的綜合性能,充分顯示了該類材料在鈉離子電池器件中具備很強的應(yīng)用潛力,開創(chuàng)了新型儲能器件電極材料研究的新方向。相關(guān)研究成果被選為VIP文章發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。
研究工作獲得國家自然科學(xué)基金重大項目、中科院百人計劃、山東省杰出青年基金等的支持。
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