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硼代石墨炔类材料用于钠离子电池

碳素材料与人类生活密切相关,而石墨炔类材料是富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一类全新的碳素材料。在合成方法和组成上讲,它是目前唯一类可以通过化学法合成、同时含有sp和sp2两种杂化形式碳的二维平面全碳材料。石墨炔类材料具有大的共轭体系、宽面间距、优异的导电性、丰富的分子孔道结构以及优良的化学稳定性。上述独特的结构特点和优异的性能优势使得石墨炔有望广泛应用于能源存储领域。此前,石墨炔类材料已被先后应用于锂离子电池、钠离子电池、锂离子电容器、锂/镁硫电池等能源存储器件,并展现出优异的器件性能。在前期报道中显示石墨炔是一类富含sp碳的碳基材料,其中sp碳的含量及分布方式对该类材料的电化学性能有很大影响;此外,杂原子的掺杂对于该类材料的性能也有极大的改善作用。基于此,制备同时具有均匀分布的硼原子及sp碳的新型类石墨炔材料将是提高该类材料sp碳的一个有效方式。最近,在中国科学院化学研究所李玉良院士的指导下,中国科学院青岛生物能源与过程研究所黄长水研究员研究组,通过化学合成的方法制备出一类新型的硼代石墨炔材料,并对其能带结构、电化学性能及储钠机制进行了详细分析和系统研究。

硼代石墨炔类材料用于钠离子电池

图1. 硼代石墨炔能级及分子孔径分布

   在该工作中,通过理论模拟硼代石墨炔材料HOMO LUMO能级在炔键与中心杂原子的上的分布情况探讨了能级结构与材料导电性能之间的关系。通过对双层排列结构的构型理论分析结果与XRD散射角及分子孔道孔径尺寸与分布测试结果相结合,分析了硼代石墨炔分子平面堆积方式及孔径结构(图1)。研究结果还表明硼原子与sp碳在体系中对钠原子的结合有协同稳定作用,并且硼代石墨炔中的大分子孔道对钠离子跃迁有促进作用(图2)。器件测试结果显示硼代石墨炔用于钠离子电池电极材料,展现出优异的倍率性能及良好循环稳定性,表明了该类材料在能源存储方面具有应用前景。

硼代石墨炔类材料用于钠离子电池

图2.硼代石墨炔储钠性能

 

该工作获得国家自然基金重大项目、中科院前沿科学重点研究项目等项目的资助。

参考文献

Wang, N.;Li, X.; Tu, Z.; Zhao, F.; He, J.; Guan, Z.; Huang, C.; Yi, Y.; Li, Y. Synthesis and Electronic Structure of Boron-Graphdiyne with an sp-Hybridized Carbon Skeleton and Its Application in Sodium Storage. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201800453

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