石墨炔材料是一種唯一能通過低溫, 常壓下合成, 同時含有sp和sp2兩種雜化形式碳的二維平面全碳材料, 是中國科學家在國際上引領的新的研究領域, 具有中國智慧財產權. 目前石墨炔已實現了樣品的快速宏量製備, 及百平方厘米大面積, 高質量薄膜的可控製備 (圖1) . 石墨炔具有大共軛體系, 優異的導電性能, 及優良的化學穩定性, 特別是豐富的分子孔道可以提供更多的存儲空間及位點, 有利於鋰鈉等金屬的吸附及傳輸. 因此, 石墨炔材料在多種儲能器件方面均展現出優異的綜合性能和巨大的應用空間. 石墨炔的基礎和應用研究, 一直吸引世界各國科學家的目光.
近日, 在中國科學院院士李玉良的指導下, 中科院青島生物能源與過程研究所研究員黃長水帶領的碳基材料與能源應用研究組, 將石墨炔類材料先後應用於鋰離子電池, 鈉離子電池, 超級電容器, 鋰硫電池等多種能源存儲器件, 並對石墨炔材料結構與電化學性能之間的構效關係進行了深入研究 (圖1) .
該研究組研發, 製備了一類新型的硼代石墨炔, 並通過理論計算與器件性能表徵相結合的方式對其能帶結構, 電化學性能及儲鈉機制進行深入分析. 通過理論計算, 研究了硼代石墨炔材料的能級在炔鍵 (sp碳) 與中心雜原子 (B) 上的分布情況, 並進一步分析該類材料能級結構與在實驗中所展現的輸運性能之間的關係. 通過對硼代石墨炔雙層排列構型的理論分析結果與實驗中獲得XRD散射角及分子孔道孔徑與分布情況相結合, 探討了硼代石墨炔分子結構與分子平面堆積方式, 以及孔徑結構之間的內在聯繫. 研究發現, 硼代石墨炔對鈉原子特殊的化學吸附作用, 可以獲得極高的理論儲鈉容量. 器件測試結果也證實以硼代石墨炔為電極材料的鈉離子電池, 具有優異的綜合性能, 充分顯示了該類材料在鈉離子電池器件中具備很強的應用潛力, 開創了新型儲能器件電極材料研究的新方向. 相關研究成果被選為VIP文章發表在《德國應用化學》上.
研究工作獲得國家自然科學基金重大項目, 中科院 '百人計劃' , 山東省傑出青年基金等的支援.
圖1.石墨炔材料在能源存儲器件中的應用
圖2.硼代石墨炔在鈉離子電池中的應用
