【引言】

二維材料由于其特殊的物理化學性質(如二維拓撲結構、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權的新型二維碳材料，其獨特的sp碳結構賦予了碳材料新的內涵，包括豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和平面內均勻分布的孔洞結構，顯示出許多優(yōu)異的性質和應用前景。石墨炔的獨特結構區(qū)別于傳統(tǒng)致密結構的二維材料，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，中國科學院李玉良院士團隊黃長水研究員報道了在適中的溫度下通過C-C偶聯(lián)反應制備氟化石墨炔(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存儲容量;同時它在2A/g電流密度下的循環(huán)次數(shù)高達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。

【圖文導讀】

圖1F-GDY的合成路線和表征

(a)GDY和F-GDY的分子結構示意圖

(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(內圖)

(f)F-GDY的紅外譜圖

圖2F-GDY的結構

(a)F-GDY的孔徑分布

(b)F-GDY的AB-stack–1的結構

(c)F-GDY的AB-stack–2的結構

(d)F-GDY的紫外可見吸收光譜和光吸收譜圖(內圖)

(e)F-GDY層的幾何結構，綠色部分為其晶胞

(f)F-GDY的能帶結構和態(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的氮氣吸附-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電極的準原位XPS譜圖

(b)選定的重復單元中鋰原子在不同位置的結合能

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

圖6F-GDY的儲鋰機理示意圖

【小結】

本文使用溶液法通過C-C偶聯(lián)反應制備二維材料F-GDY。F-GDY柔性電極的高導電率、高比表面積、短的鋰離子擴散距離和大量活性儲鋰位點賦予了其優(yōu)異的電化學性能。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，有望應用于下一代柔性電池中。