中科院化學所李玉良院士Angew.Chem.Int.Ed.：銅納米線原位生長超薄石墨炔作為高性能鋰離子電池負極材料

【引言】

為了開發具有高功率以及高能量密度鋰離子電池，高容量的非嵌入式負極材料（諸如硅、鍺、氧化物及硫化物等）受到了廣泛關注。然而，這類材料存在循環過程中體積膨脹進而使導電性變差的問題，嚴重影響著鋰離子電池的輸出功率及長程穩定性。而石墨作為一種嵌入式負極材料，得益于其穩定的二維全碳骨架結構，展現出了優異的循環穩定性，進而激發了研究人員對高容量兼具穩定二維結構全碳材料的研發興趣。

石墨炔（Graphdiyne, GDY），作為一種sp和sp²兩種雜化態形成的二維碳同素異形體，被證明是一種高效嵌入型儲鋰材料。在儲Li⁺過程中，通過將Li⁺束縛在其層內納米孔隙中，可使材料在循環過程體積膨脹的問題得到緩解。同時，層內納米孔隙可促進Li⁺ 在三維孔道中的擴散與傳輸，進而可實現比石墨更高的輸出功率。因此，石墨炔被寄望作為高性能鋰離子電池負極材料。石墨炔儲Li⁺與儲Na⁺性能已被研究報道，然而關于超薄石墨炔納米片的制備及其作為鋰離子電池負極材料性能的研究仍是空白。

【成果簡介】

近日，中科院化學所李玉良院士、李勇軍研究員和Zicheng Zuo（共同通訊作者）帶領的團隊開發了一種大規模制備石墨炔納米管和超薄石墨炔納米片的新策略。不同于之前報道中所采用銅箔作為基底的方法，該策略利用自支撐銅納米線紙作為原位生長石墨炔的催化劑及基底。銅納米線不僅可以作為石墨炔生長的模板，還可以為之提供更多的活性位點，進而提高了石墨炔的質量與表面積。更為重要的是，由于納米線易于被表征，利用銅納米線作為生長基底，研究人員對石墨炔生長過程中的形貌演變進行了表征，揭示了石墨炔納米片的生長機制。制備得到的Cu@GDY樣品具有優異的儲鋰性能，在0.1A·g^-1電流密度下比電容量高達1388mA h·g^-1。該成果以題為“Ultrathin Graphdiyne Nanosheets in-situ Grown on Copper Nanowires and its Performance as Lithium-Ion Battery Anodes”發表在Angew.Chem.Int.Ed.上。

【致歉：很抱歉，未能找到通訊作者ZiCheng Zuo的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！】

【圖文導讀】

圖1.石墨炔生長過程示意圖及樣品結構表征

a-c)銅納米線上原位生長石墨炔過程示意圖

d)未生長有石墨炔的銅納米線紙

e)生長有石墨炔的銅納米線紙

f)Cu@GDY樣品呈現出良好的柔性

g)Cu@GDY樣品具有超輕的質量(1.4mg)

h)Cu@GDY樣品拉曼譜圖

i )Cu@GDY樣品XRD結果

圖2.不同前驅體用量下樣品SEM形貌

a,b)1mg用量下Cu@GDY樣品SEM形貌

d,e)2.5mg用量下Cu@GDY樣品SEM形貌

g,h)5mg用量下Cu@GDY樣品SEM形貌

c,f,i)依次為1mg、2.5mg、5mg用量下，去除銅納米線后GDY樣品SEM形貌

圖3.Cu@GDY樣品TEM形貌

a)Cu@GDY超薄納米片低倍TEM形貌

b,c)圖a)所選區域C、Cu元素mapping結果

d)Cu@GDY超薄納米片高分辨TEM形貌

e)去除銅納米線后GDY納米片低倍TEM形貌及f)高分辨TEM形貌

g)去除銅納米線后GDY納米管TEM形貌

圖4.石墨炔納米片生長機制

a)Cu@GDY超薄納米片低倍TEM形貌

b,c)圖a)所選區域高倍TEM形貌

d)圖c)所選區域高分辨TEM形貌

e)石墨炔納米片在銅納米顆粒晶體邊界處生長機理示意圖

f)石墨炔納米片在晶體邊界處的生長過程類比植物破土而生

圖5.Cu@GDY電化學性能

GDY1:前驅體用量為1mg時所得到的樣品

GDY2:前驅體用量為5mg時所得到的樣品

a)GDY1和GDY2的倍率性能、

b)不同電流密度下，兩種樣品0~1V電壓區間的容量貢獻

c)GDY1和GDY2在5A·g^-1下的循環性能

d)GDY2在10A·g^-1和20A·g^-1下的循環性能

e)GDY與其他負極材料性能對比

f)GDY優異倍率性能的機理示意圖

【結論】

該工作提出了了一種全新的策略，采用銅納米線作為原位生長石墨炔的基底，首次實現了石墨炔超薄納米片大規模制備。同時，制備得到的石墨炔作為鋰離子電池負極材料展現出了優異的儲鋰性能。尤為重要的是，該策略同樣可應用于其他能源領域（鋰硫電池、鋰空電池及催化等）中石墨炔基材料的制備。

【文獻信息】

文獻鏈接：Ultrathin Graphdiyne Nanosheets in-situ Grown on Copper Nanowires and its Performance as Lithium-Ion Battery Anodes（Angew.Chem.Int.Ed.，2017，DOI: 10.1002/anie.201711366）

本文由材料人編輯部牛越編譯， 黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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