石墨炔薄膜材料的制备及其对锂空气电池放电产物的调控

Graphdiyne, a new conjugation carbon allotrope with carbon hybridization of sp and sp2, has great potential in the application in the cathode electrode of Li-air batteries due to its good electroconductivity, high chemical stability, hierarchical pores and strong adsorption ability for gases. Furthermore, free-standing film of graphdiyne can be fabricated owing to the solution-based processability, in order that the side reaction on binder and conductive agent can be released. In this project, graphdiyne will be used as model to research on the influence of sp hybridized carbon bond on the adsorption of oxygen and the catalytic performance as well as catalysate. Graphdiyne derivatives with different catalytic sites will be designed to synthesis by regulating the structure of monomers. So that the molecules with different electronic structure and molecule pore size would exhibit different properties in media diffusion and the formation of thin Li2O2 or other products. Specifically, the catalytic performance of carbon materials can be improved by doping graphdiyne with hetero atoms. Finally, the cathode of Li-air batteries with superior performance can be obtained by optimizing the parameters.

石墨炔作为一种既含sp2杂化又含sp杂化的新型共轭碳素材料，由于具有导电性好、稳定性高以及多孔吸附能力较强等特点，非常有利于其在锂空气电池正极中的应用。另外，由于石墨炔采取溶液中合成方法，借助支撑基底可以制备自支撑薄膜，消除粘结剂和导电剂在电极发生的副反应。本项目拟以石墨炔为研究模型，探索研究石墨炔内炔键对氧气的吸附及其对锂空电池催化性能及催化产物的影响。通过改变单体的结构，可控的合成不同催化活性的石墨炔类衍生物，用以调控电子结构及其分子内孔径大小，设计有利于介质的传输以及诱导特殊形貌的Li2O2或其他催化产物形成的材料，从而实现快速可逆的催化产物的形成和分解。进一步的，通过对石墨炔类材料进行定位或非定位掺杂异原子，改善碳材料的催化性能。最终通过优化以上合成条件，以期制备出性能优异的锂空气电池正极材料。

利用石墨炔特殊的sp杂化碳原子和碳骨架结构，通过调整石墨炔基碳材料的电子结构或负载其他活性成分可以提高催化剂性能，大大降低金属空气电池成本。本项目制备了不同电子结构和形貌的石墨炔基碳材料；基于前期吡啶氮对提高石墨炔材料电催化性能的促进作用，通过化学合成法制备了吡啶氮选择性掺杂的石墨炔材料，表现了优异的氧还原电催化性能，将GDY材料首次作为双功能催化剂应用到锌空气电池中，其电池性能优于商业催化剂，在此基础上制备获得一维棒状和二维片状的固态柔性锌空气电池，实现了长效稳定的充放电，有望用于可穿戴电子产品。通过引入不同的官能团，本项目深入研究了石墨炔类碳材料与电解液的相容性，发展了一系列以氟取代石墨炔为代表的高界面相容性电极材料，为石墨炔类材料在电解液体系中的应用奠定了基础。这一系列高性能石墨炔类电极材料的开发，将有助于推进石墨炔基金属空气电池的开发和商业化进程。