中科院化学所李玉良院士Angew.Chem.Int.Ed.：铜纳米线原位生长超薄石墨炔作为高性能锂离子电池负极材料

编辑部实习生 6年前 (2017-12-08) 10074浏览

【引言】

为了开发具有高功率以及高能量密度锂离子电池，高容量的非嵌入式负极材料（诸如硅、锗、氧化物及硫化物等）受到了广泛关注。然而，这类材料存在循环过程中体积膨胀进而使导电性变差的问题，严重影响着锂离子电池的输出功率及长程稳定性。而石墨作为一种嵌入式负极材料，得益于其稳定的二维全碳骨架结构，展现出了优异的循环稳定性，进而激发了研究人员对高容量兼具稳定二维结构全碳材料的研发兴趣。

石墨炔（Graphdiyne, GDY），作为一种sp和sp2两种杂化态形成的二维碳同素异形体，被证明是一种高效嵌入型储锂材料。在储Li+过程中，通过将Li+束缚在其层内纳米孔隙中，可使材料在循环过程体积膨胀的问题得到缓解。同时，层内纳米孔隙可促进Li+ 在三维孔道中的扩散与传输，进而可实现比石墨更高的输出功率。因此，石墨炔被寄望作为高性能锂离子电池负极材料。石墨炔储Li+与储Na+性能已被研究报道，然而关于超薄石墨炔纳米片的制备及其作为锂离子电池负极材料性能的研究仍是空白。

【成果简介】

近日，中科院化学所李玉良院士、李勇军研究员和Zicheng Zuo（共同通讯作者）带领的团队开发了一种大规模制备石墨炔纳米管和超薄石墨炔纳米片的新策略。不同于之前报道中所采用铜箔作为基底的方法，该策略利用自支撑铜纳米线纸作为原位生长石墨炔的催化剂及基底。铜纳米线不仅可以作为石墨炔生长的模板，还可以为之提供更多的活性位点，进而提高了石墨炔的质量与表面积。更为重要的是，由于纳米线易于被表征，利用铜纳米线作为生长基底，研究人员对石墨炔生长过程中的形貌演变进行了表征，揭示了石墨炔纳米片的生长机制。制备得到的Cu@GDY样品具有优异的储锂性能，在0.1A·g-1电流密度下比电容量高达1388mA h·g-1。该成果以题为“Ultrathin Graphdiyne Nanosheets in-situ Grown on Copper Nanowires and its Performance as Lithium-Ion Battery Anodes”发表在Angew.Chem.Int.Ed.上。

【致歉：很抱歉，未能找到通讯作者ZiCheng Zuo的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！】

【图文导读】

图1.石墨炔生长过程示意图及样品结构表征

a-c)铜纳米线上原位生长石墨炔过程示意图

d)未生长有石墨炔的铜纳米线纸

e)生长有石墨炔的铜纳米线纸

f)Cu@GDY样品呈现出良好的柔性

g)Cu@GDY样品具有超轻的质量(1.4mg)

h)Cu@GDY样品拉曼谱图

i )Cu@GDY样品XRD结果

图2.不同前驱体用量下样品SEM形貌

a,b)1mg用量下Cu@GDY样品SEM形貌

d,e)2.5mg用量下Cu@GDY样品SEM形貌

g,h)5mg用量下Cu@GDY样品SEM形貌

c,f,i)依次为1mg、2.5mg、5mg用量下，去除铜纳米线后GDY样品SEM形貌

图3.Cu@GDY样品TEM形貌

a)Cu@GDY超薄纳米片低倍TEM形貌

b,c)图a)所选区域C、Cu元素mapping结果

d)Cu@GDY超薄纳米片高分辨TEM形貌

e)去除铜纳米线后GDY纳米片低倍TEM形貌及f)高分辨TEM形貌

g)去除铜纳米线后GDY纳米管TEM形貌

图4.石墨炔纳米片生长机制

a)Cu@GDY超薄纳米片低倍TEM形貌

b,c)图a)所选区域高倍TEM形貌

d)图c)所选区域高分辨TEM形貌

e)石墨炔纳米片在铜纳米颗粒晶体边界处生长机理示意图

f)石墨炔纳米片在晶体边界处的生长过程类比植物破土而生

图5.Cu@GDY电化学性能

GDY1:前驱体用量为1mg时所得到的样品

GDY2:前驱体用量为5mg时所得到的样品

a)GDY1和GDY2的倍率性能、

b)不同电流密度下，两种样品0~1V电压区间的容量贡献

c)GDY1和GDY2在5A·g-1下的循环性能

d)GDY2在10A·g-1和20A·g-1下的循环性能

e)GDY与其他负极材料性能对比

f)GDY优异倍率性能的机理示意图

【结论】

该工作提出了了一种全新的策略，采用铜纳米线作为原位生长石墨炔的基底，首次实现了石墨炔超薄纳米片大规模制备。同时，制备得到的石墨炔作为锂离子电池负极材料展现出了优异的储锂性能。尤为重要的是，该策略同样可应用于其他能源领域（锂硫电池、锂空电池及催化等）中石墨炔基材料的制备。

【文献信息】

文献链接：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）

本文由材料人编辑部牛越编译， 黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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