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氟化石墨炔二维碳材料

在李玉良院士(点击查看介绍)的指导下,中国科学院青岛生物能源与过程研究所的黄长水(点击查看介绍)团队正是借助石墨炔的这种结构优势,采用氟取代的方式制备了新型柔性电极材料,其优异的电化学性能展现了良好的应用前景。

石墨炔是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后的又一种碳材料,其结构由苯环以及炔键构建而成,是一种拥有丰富分子内孔道的二维材料。近日,在李玉良院士(点击查看介绍)的指导下,中国科学院青岛生物能源与过程研究所黄长水点击查看介绍)团队正是借助石墨炔的这种结构优势,采用氟取代的方式制备了新型柔性电极材料,其优异的电化学性能展现了良好的应用前景。

随着可穿戴智能设备以及可植入医疗器械的发展,具有高能量密度、功率密度以及长循环寿命的柔性电池成为近年来研究的热点。由于特有的结构优势,二维材料成为理想的柔性电极材料。然而,目前已知的二维电极材料往往具有致密的原子排布,使得锂离子在层间的传输遇到较大的位阻,从而导致较低的功率密度和能量密度。

基于此,中科院青岛能源所研究团队首次设计合成了氟化的石墨炔二维碳材料。作者首先对材料的物理化学性质进行了详细的表征,如图1所示,通过对材料的孔径分布测试、紫外-可见漫反射光谱、XRD等分析以及相应的理论计算,分析了材料的AB堆积构型、带隙能以及层间距等重要参数。这些性质也为氟化石墨炔在储锂方面的优异性能奠定了基础。

氟化石墨炔二维碳材料

图1. 氟化石墨炔的物理化学性质

经测试,氟化石墨炔在50 mA/g的电流密度下容量高达1700 mAh/g,而其在2 A/g电流密度下的循环次数高达9000圈,展现了优异的储锂能力和循环稳定性。随后,作者通过非原位XPS以及理论计算进一步研究了其储锂机理,如图2所示,通过氟取代,使石墨炔分子孔道扩大,在AB堆积下也具有优良的离子传输通道;同时保留了石墨炔的基本框架和二维平面结构中的共轭体系,使材料具有优异的导电性和载流子传输特性;尤其是碳-氟键具有优良的循环储锂能力,不仅增加了材料的储锂位点,同时碳-氟键与电解液具有很好的相容性,可以大大降低界面阻抗,提高循环稳定性。该研究结果为溶液法制备大面积性能优异的柔性电极材料提供了研究思路,开创了新型储能器件电极材料研究的新方向。

氟化石墨炔二维碳材料

图2. 氟取代石墨炔在柔性电池中的应用

这一成果近期发表在Energy & Environmental Science 上,文章的第一作者是中科院青岛能源所的博士后何建江

该论文作者为:Jianjiang He, Ning Wang, Ze Yang, Xiangyan Shen, Kun Wang, Changshui Huang, Yuanping Yi, Zeyi Tu, Yuliang Li

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氟化石墨炔二维碳材料

Fluoride graphdiyne as a free-standing electrode displaying ultra-stable and extraordinary high Li storage performance

Energy Environ. Sci.201811, 2893, DOI: 10.1039/C8EE01642A

导师介绍

李玉良

http://www.x-mol.com/university/faculty/15487

黄长水

http://www.x-mol.com/university/faculty/50069

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