氫取代石墨炔(HsGY)具有更好電化學表現(xiàn)的儲鈉材料
氫取代石墨炔(HsGY)具有更好電化學表現(xiàn)的儲鈉材料
中國科學院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應(yīng)用研究組研究發(fā)現(xiàn)，通過對石墨炔碳材料進行分子設(shè)計控制炔鍵的數(shù)目，增加更多的儲鈉位點和傳輸通道，進而制備出具有更好電化學表現(xiàn)的儲鈉材料，其優(yōu)異的比容量和超長的循環(huán)穩(wěn)定性表明石墨炔類碳材料在儲能方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
由于鈉元素在全球含量豐富且廉價易得，鈉離子電池和電容器的成本相較于鋰離子電池顯著降低，特別是對于大型儲能裝置，鈉離子電池和電容器更兼具可持續(xù)性的優(yōu)勢，因此，鈉離子電池的研究迅速引起了全世界科研工作者的關(guān)注。然而商用石墨作為鈉離子電池和電容器的負極材料所能夠提供的比容量太低，嚴重制約了鈉離子電池和電容器的進一步發(fā)展，為此，世界范圍的研究組已經(jīng)開展了對新型負極材料的探索研究工作，包括對新型碳基材料的發(fā)展和探索。
近年來研發(fā)的碳化石墨、硬碳、石墨烯等作為鈉離子電池和電容器的負極材料，具有成本低、電位低、容量大等優(yōu)點，被認為是很有前途的候選材料。然而，這些碳負極普遍存在的低容量和循環(huán)穩(wěn)定性是一直有待改善的問題。碳基材料與能源應(yīng)用研究組長期致力于鈉離子電池和電容器電極材料的研究，開發(fā)制備了基于石墨炔的鈉離子電池和電容器負極材料，憑借其本身富含炔鍵的特點，石墨炔負極在儲鈉方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的電化學表現(xiàn)，包括，多孔石墨炔直接應(yīng)用于鈉離子電池負極（J.Mater.Chem.A 2017，5，2045-2051），摻氮石墨炔實現(xiàn)兼具高功率密度和能量密度的鈉離子電容器（ChemElectroChem 2018，5，1435-1443），石墨炔納米墻獲得高性能鈉離子電容器（ACS Appl.Mater.Interface，2017，9，40604-40613）。在此基礎(chǔ)上，通過對石墨炔進行分子設(shè)計，引入氫元素并制備了具有均勻缺陷的氫取代石墨炔類碳材料，而這些引入氫取代石墨炔，在儲鈉方面均表現(xiàn)出了更高的理論比容量（＞1200 mAh g-1）和實驗比容量（＞600 mAh g-1），同時具有優(yōu)秀倍率性能的循環(huán)穩(wěn)定性能(Nat.Commun.，2017，8，1172)。
氫取代石墨炔(HsGY)具有更好電化學表現(xiàn)的儲鈉材料
圖：HsGY及其電化學性能。(a)倍率性能，(b)鈉離子存儲示意圖，(c)鈉離子遷移路徑示意圖，(d)循環(huán)性能，插圖是組裝的SIBs可保持LED設(shè)備持續(xù)點亮。
特別是近期，研究組設(shè)計制備了氫取代石墨炔(HsGY)，其中大量的炔鍵大孔和中孔構(gòu)造有利于電解質(zhì)的快速滲透，縮短了其擴散和傳輸?shù)穆窂?，提高了電極的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能（如圖所示）。在100 mAh g-1電流密度下，HsGY電極能夠得到高達680 mAh g-1的高可逆比容量。即使在高達5000 mA g-1的電流密度下，HsGY電極的比容量仍可以穩(wěn)定在330 mAh g-1。得益于HsGY電極材料兼?zhèn)涠S和三維層狀多孔材料的特點，鈉離子能夠大量存儲在HsGY的面內(nèi)和面外，同時鈉離子能夠很容易地在HsGY層內(nèi)擴散遷移或?qū)娱g穿越傳輸。穩(wěn)定性測試表明，在5000 mAh g-1的大電流密度下循環(huán)5900次，其可逆容量也能穩(wěn)定在320 mAh g-1，得到96％的優(yōu)異容量保持率。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在國際期刊《材料化學學報A》（J.Mater.Chem.A(2019，7，11186-11194)）上。
上述研究成果對于新型碳基材料的設(shè)計制備及其儲能、催化具有重要的指導意義，同時表明石墨炔類碳材料在能源設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用方面具有巨大潛力。
研究得到國家自然科學基金項目、中科院前沿重點項目、山東省自然科學基金的支持。
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