面向钠离子电池应用的石墨炔材料研究

The preparation of graphdiyne materials with tunable structure and property is the key issue to increase the sodium storage sites on the anode materials based on graphidyne, improve the diffusion conditions of sodium ions on the perpendicular direction of the two-dimensional molecular plane, and thus efficiently increase the capacity and long circle stability of sodium ion energy storage devices. Focusing on this issue, our project will give full play to the advantage that the two-dimensional planar graphdiyne materials can be prepared though a “bottom-up” chemical method and the chemical tailing capability of the alkynyl contained small molecular monomer. The pores on graphiyne will be modified through the inclusion of heteroatoms and functional groups with different size and electronegativity, and thus the structure and the properties such as energy band gap, conducting properties, electrolyte infiltration, film morphology, and the distributing conditions of molecular pores, can be optimized in molecular level. Analyze the effect of the structure and properties changing on the performance of corresponding sodium ion energy storage. The smoothly going of the project will develop a serial of graphdiyne material with controllable structure and properties, systematically optimize its chemical preparing methods, strengthen the understanding of the relationship between the structure of graphdiyne and its electrochemical energy storage properties, and finally promote its application in sodium ion battery as anode electrode materials.

结构性能可有效调节的石墨炔材料的制备是进一步增加其作为钠离子电池器件中负极材料的储钠位点、改善钠离子在垂直二维分子平面方向的跃迁情况，从而有效提高钠离子储能器件的容量和循环稳定性所面临的关键问题。针对这一问题，充分发挥二维平面石墨炔类材料可以通过“由下而上”的化学法制备这一优势，结合所用含炔基小分子单体在结构上的化学可裁剪性，通过引入具有不同尺寸、不同电负性的杂原子或官能团，对石墨炔孔径进行功能化修饰,从而实现在分子尺度上系统调节二维平面石墨炔类材料的结构，及其能级带宽、输运性质、电解液浸润性、薄膜形貌以及孔径分布等性质。分析石墨炔类材料结构性能变化对钠离子储能器件性能的影响。课题的顺利开展将发展一系列结构、性能可控的石墨炔类材料，并优化材料制备条件，加深对二维石墨炔类结构和电化学储能性能关系的认识，从而推动其作为负极材料在钠离子电池中的应用。

发展高性能的储能器件，提高其容量和循环稳定性近些年受到科研工作者越来越多的关注。结构性能可有效调节的石墨炔基电极材料为进一步增加存储位点、改善扩散跃迁情况、并明确构效关系提供了一个有效的研究平台。本课题于2018年由国家自然科学基金委立项资助，项目组严格按照项目书计划，开展了相关研究工作。在此基础上，一些工作也做了拓展性探索，取得了阶段性的研究成果。相关研究成果已经在包括德国应用化学在内的学术期刊上发表论文12篇，另有3篇在投。申请专利2项。主要完成的研究内容包括：(i) 通过引入氮、磷等杂原子；以及包含甲基、氰基、四苯基甲烷、三苯胺等官能团等具有不同尺寸、不同电负性的功能能团，对石墨炔孔径进行功能化修饰,从而实现在分子尺度上二维平面石墨炔类材料结构的系统调节。(ii) 系统研究了结构修饰对石墨炔基储能电极材料能级带宽、孔径分布、薄膜形貌、输运性质、电解液浸润性等性质的影响。实验结果表明不同功能基团的引入，引起包括能隙、层间距和微观结构在内的特性发生了明显的变化，进而可以显著地提高碱金属电池的存储容量和循环稳定性等关键性能。本研究制备了一系列结构、性能可控的石墨炔类材料，并对材料制备条件进行了优化探索，加深了对二维石墨炔类结构和电化学储能性能关系的认识，为精确调节碳材料的电子结构和性能提供了有效的策略，也为石墨炔家族储能性能研究以及进一步探索新型碳素储能材料提供和数据准备和理论依据。在项目执行期间，申请人与领域内相关专家开展了积极的学术交流和合作。2020年1月参加在新加坡举办的超浸润界面学术研讨会，并做会议报告。此外，依托中国科学院化学研究所、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、山东大学的二维石墨炔研究集体获得2021年度中国科学院杰出科技成就奖，申请人为该研究集体的研究骨干之一。