高稳定性金属碳的同素异形体——潜在的锂离子负极材料

金属碳因在催化、超导体和电子器件等方面有潜在的应用前景,近而被广泛研究。但是金属碳的设计主要依靠长期训练的直觉,极易错过一些更稳定的同素异形体。北大王前课题组的工作者们结合优化粒子群和第一性原理计算,发现了一种新的3D金属碳同素异形体Hex-C18。其研究结果发表在Nano Energy上(IF:11.553)

高稳定性金属碳的同素异形体——潜在的锂离子负极材料

图1 (a)优化后的Hex-C18顶视图 (b) 优化后Hex-C18的侧视图 (c) Hex-C18可能的合成过程示意图

Hex-C18每个单元包含18个原子,空间族群为P63,具有稳定的六边形结构,这种独特的孔结构材料密度为2.41g/cm3,与石墨(2.24g/cm3)相当,且这种材料的纳米介孔可以容纳原子和分子。作者通过理论计算估量材料的热力学性能和机械性能,发现sp2和sp3杂化的键角分别为120.5°和110.5°非常接近石墨烯(120°)和金刚石(109.5°),从而Hex-C18具有高结构稳定性。在300K、600K和1200K下虚拟检测Hex-C18热稳定性,结果证明即使在1200K下材料结构也没有发生明显变化,即材料的热稳定性相当好。

高稳定性金属碳的同素异形体——潜在的锂离子负极材料

图2 (a) Hex-C18、钻石、石墨、bct-C、T6、H18、K6和Tri-C9每个原子的体积能量 (b) Hex-C18声子带结构

作者又基于声子谱图计算,得出一系列的热力学性质。与T6、H18和Tri-C9相比,Hex-C18在整个频率范围内具有更高的震动状态和高热容量。这是因为对热容量有决定性作用的声子DOS在低频区域对Hex-C18做出了主要贡献。随后作者又对Hex-C18硬度做了计算,得出维氏硬度大约在42.2-80.8GPa之间,属于超硬材料。

高稳定性金属碳的同素异形体——潜在的锂离子负极材料

图3 (a) Li吸附位置的俯视和侧视图 (b) 图(a)中三个位置的结合能 (c) 考虑到Li的扩散迁移路径和扩散的能量垒

基于Hex-C18电子带结构计算得出在(0001)面上存在碳原子sp2杂化后离域电子形成的一维通道,计算后的最高载流速度高达1.25x106m/s,比用相同公式计算出的石墨烯(0.86x106m/s)还高。所以,具有各向异性运输1D通道的Hex-C18应用在微型电子器件上极具潜能。将材料应用在锂离子电池负极材料上,通过理论计算得出Hex-C18的理论比容量高达496mAh/g,是石墨的1.3倍。作者为进一步检测锂在Hex-C18中的最大浓度,在Hex-C18的100个结构中选取5个中间结构进行检验,结果证明Li可以在材料中稳定的吸附而不聚集。

作者模拟Hex-C18的XRD结果显示,Hex-C18的(100)面主峰与先前的不能解释的13.4°峰相匹配。同时,(110)和(210)面分别与21.3°和31.9°的峰相匹配,说明Hex-C18的存在。所以Hex-C18作为潜在的锂离子电池负极材料,不仅Li的扩散能垒小而且储锂量高,值得进一步研究。

参考文献

Jie Liu, Tianshan Zhao, Shunhong Zhang, Qian Wang, A new metallic carbon allotrope with high stability and potential for lithium ion battery anode material, Nano Energy 38 (2017) 263–270

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参考文献:Nano Energy