【引言】

二維材料由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)(如二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、弱層間范德華力、大的比表面積等)，具有成為一種優(yōu)良柔性電極材料的巨大潛力。但傳統(tǒng)二維材料原子排布致密，使其離子傳輸能力大大減弱。并且豐富的邊緣原子具有較高的活性，大大降低了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。石墨炔作為具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型二維碳材料，其獨(dú)特的sp碳結(jié)構(gòu)賦予了碳材料新的內(nèi)涵，包括豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和平面內(nèi)均勻分布的孔洞結(jié)構(gòu)，顯示出許多優(yōu)異的性質(zhì)和應(yīng)用前景。石墨炔的獨(dú)特結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)致密結(jié)構(gòu)的二維材料，也使其成為具有天然優(yōu)勢的柔性電極材料。

【成果簡介】

近日，中國科學(xué)院李玉良院士團(tuán)隊(duì)黃長水研究員報(bào)道了在適中的溫度下通過C-C偶聯(lián)反應(yīng)制備氟化石墨炔(F-GDY)。F-GDY是一種石墨炔基二維材料，在鋰離子半電池中，當(dāng)電流密度分別為50mAg–1和5Ag–1時，其可逆容量分別為大約1700mAhg–1和300mAhg–1，表明出極高的電化學(xué)存儲容量;同時它在2A/g電流密度下的循環(huán)次數(shù)高達(dá)9000圈，可逆容量仍能保持初始值的70%，表明它具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。因此它有作為柔性電池電極材料的巨大應(yīng)用潛力。上述成果以“Fluoridegraphdiyneasfree-standingelectrodedisplayingultrastableandextraordinaryhighListorageperformance”為題發(fā)表在著名期刊EnergyEnviron.Sci上，第一作者是中科院青島能源所的博士后何建江。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1F-GDY的合成路線和表征

(a)GDY和F-GDY的分子結(jié)構(gòu)示意圖

(b,c)F-GDY的具體合成路線

(d)F-GDY的固態(tài)13CNMR譜圖

(e)F-GDY的C1sXPS譜圖和F1sXPS譜圖(內(nèi)圖)

(f)F-GDY的紅外譜圖

圖2F-GDY的結(jié)構(gòu)

(a)F-GDY的孔徑分布

(b)F-GDY的AB-stack–1的結(jié)構(gòu)

(c)F-GDY的AB-stack–2的結(jié)構(gòu)

(d)F-GDY的紫外可見吸收光譜和光吸收譜圖(內(nèi)圖)

(e)F-GDY層的幾何結(jié)構(gòu)，綠色部分為其晶胞

(f)F-GDY的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

(g)F-GDY的拉曼光譜

(h)F-GDY的XRD譜圖

(i)F-GDY的層間距

圖3F-GDY的形貌

(a)F-GDY膜的照片

(b)F-GDY膜的正面的SEM圖

(c)圖(b)的放大圖

(d)F-GDY膜的側(cè)面的SEM圖

(e)二維F-GDY膜的TEM圖

(f)F-GDY的高分辨率TEM圖

(g)F-GDY的氮?dú)馕?解吸等溫曲線

(h)水、碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯電解液和F-GDY的接觸角

(i)柔性透明電極中的F-GDY

圖4鋰金屬半電池中的F-GDY電極的電化學(xué)性能

(a)F-GDY的倍率性能

(b)F-GDY的充放電曲線

(c)F-GDY的循環(huán)伏安曲線

(d-f)電流密度分別為50mAg–1(d)、100mAg–1(e)、2Ag–1(f)時，F(xiàn)-GDY的循環(huán)性能

圖5鋰原子和F-GDY的相互作用

(a)充放電過程中，不同電壓下的F-GDY電極的準(zhǔn)原位XPS譜圖

(b)選定的重復(fù)單元中鋰原子在不同位置的結(jié)合能

(c)Li28–C24F6化合物的側(cè)面圖(上)和正面圖(下)以及鋰原子在Li28–C24F6化合物中的結(jié)合能

圖6F-GDY的儲鋰機(jī)理示意圖

【小結(jié)】

本文使用溶液法通過C-C偶聯(lián)反應(yīng)制備二維材料F-GDY。F-GDY柔性電極的高導(dǎo)電率、高比表面積、短的鋰離子擴(kuò)散距離和大量活性儲鋰位點(diǎn)賦予了其優(yōu)異的電化學(xué)性能。F-GDY的C–F鍵賦予了F-GDY膜出色的穩(wěn)定性與其和電解液的相容性。F-GDY柔性電極具有超高的存儲容量，尤其是在9000次循環(huán)后依然能保持穩(wěn)定的卓越循環(huán)性能，有望應(yīng)用于下一代柔性電池中。