碳材料如富勒烯、碳納米管、石墨炔、石墨烯等，因其具有超高的導(dǎo)電性、巨大的比表面積、可調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu)、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點而受到廣泛的關(guān)注和研究。以碳材料為電極材料的儲能器件表現(xiàn)出的超高的儲能容量、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和成本低及環(huán)境優(yōu)好等優(yōu)勢，使其在能源存儲方面具有潛在的發(fā)展空間。特別是二維碳材料，如石墨炔、石墨烯等，具有高度共軛的碳骨架，二維層狀平面結(jié)構(gòu)，均勻分布的孔隙及較大的孔道構(gòu)造，這能夠為儲能離子提供豐富的吸附位點和暢通的遷移通道，使其在儲能領(lǐng)域中擁有廣泛的應(yīng)用前景。近期，青島能源所碳基材料與能源應(yīng)用研究組研究發(fā)現(xiàn)，可以通過前驅(qū)體控制、化學(xué)鍵合、熱處理等方式引入特定的功能基團(tuán)來準(zhǔn)確調(diào)控碳材料能隙，電子遷移率，層間距，晶體堆積方式和比表面積等可以影響離子存儲或遷移性能的內(nèi)在特性，進(jìn)而可以制備出電化學(xué)性能更好的儲能材料。
研究人員以石墨炔為例，使用化學(xué)修飾的前體通過交叉偶聯(lián)反應(yīng)合成了一系列具有氫、甲基和氰基等不同功能基團(tuán)修飾的石墨炔衍生物。不同功能基團(tuán)的引入，引起包括能隙、層間距和微觀結(jié)構(gòu)在內(nèi)的特性發(fā)生了明顯的變化，進(jìn)而顯著地影響到鋰離子電池的存儲容量。與石墨炔、氫修飾的石墨炔和甲基修飾的石墨炔相比，氰基修飾的石墨炔的電化學(xué)儲鋰性能提高最為顯著，在電流密度為50 mAg-1時，其可逆容量高達(dá)1612 mAhg-1。并且氰基修飾的石墨炔因其獨特的結(jié)構(gòu)更有利于鋰離子在面內(nèi)和面外的擴(kuò)散與傳輸，這樣賦予其非常好的倍率性能及超高的穩(wěn)定性能。該研究工作為精確調(diào)節(jié)碳材料的電子結(jié)構(gòu)和性能提供了有效的策略，為石墨炔家族儲鋰性能研究以及探索新型碳素儲能材料提供了理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。
相關(guān)研究工作已被該領(lǐng)域的國際頂級著名學(xué)術(shù)期刊《Angewandte Chemie International Edition》（德國應(yīng)用化學(xué)）接收發(fā)表，由于該研究成果的高度創(chuàng)新性及重要性，被此期刊評選為VIP(Very Important Paper)文章。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金，中科院前沿項目和研究所內(nèi)重點部署項目，山東省自然科學(xué)基金的支持等資助。
圖 不同功能基團(tuán)修飾石墨炔材料及儲鋰性能研究
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202004454。
