Advanced Materials: 石墨炔的制备及在电化学储能器件中的应用研究进展

碳材料的不断发展并与诸多相关应用学科的交叉与结合,已经广泛影响并积极推动众多高技术科技的快速发展,从而奠定了它在目前科技发展中的重要战略地位。石墨炔类材料是一类全新的全碳二维平面结构材料。从结构上讲,石墨炔是一类同时含有sp碳及sp2两种杂化形式的碳,既具有层状二维平面材料的特点,同时又有多孔三维通道,这使石墨炔具备极大的比表面积、良好的化学稳定性和导电能力。更为重要的是,石墨炔中独特的碳碳叁键的存在,为其能级、纳米形貌等重要物理化学性能的精细调控提供了便利,因此可以广泛应用于多类器件的关键材料。特别是在电化学储能器件方面,石墨炔中丰富的孔道和共轭体系中sp杂化碳的存在为锂、钠、镁等金属原子提供了丰富的储存位点和扩散通道。从而保证了它在实际电化学电池中表现出良好的电化学性能。基于此,近期出现了大量关于石墨炔电化学储能器件制备及性能研究的报道,并引发了一轮研究热潮。中国科学院大学青岛生物能源与过程研究所黄长水研究员(通讯作者)等人为Advanced Materials杂志石墨炔专刊中石墨炔储能器件应用方面的综述性文章(Adv. Mater. 2019, 31, 1803202),系统总结了石墨炔储能材料的制备及器件性能,并分析了石墨炔类材料结构、性质与在储能器件中展现的性能之间的关系。

在石墨炔及储能材料制备方法方面,目前研究表明通过控制石墨炔中诱导杂原子的位置和数量,可以有效调整、优化石墨炔层状结构聚集形态、导电性,孔的大小和分布和对某些金属原子的亲和力等性能,从而可以有效改善金属原子如锂和钠的储存环境,并为期提供更加充分的扩散空间。特别是石墨炔平面结构中均匀分布的面内孔还可以促进金属离子的垂直转移,从而提高电化学电池的倍率性能和循环稳定性。目前为止,已经从理论预测和实验开展的方面详细报道了许多相关的工作。本综述总结相关的结构设计,石墨炔电极制备及其在一系列储能装置如锂离子电池(LIB),钠离子电池(SIB),锂/镁硫电池和超级电容器等的中的实际应用。特别值得注意的是,文中系统地分析了石墨炔制备方式、纳米形态调整、杂原子取代等结构修饰方式对其电化学储能性质的影响,更加深入的分析了相互之间存在的结构-性能关系。其中通过后处理方法或原位取代途径获得的杂原子掺杂的石墨炔,为石墨炔电化学储能材料的设计提供新的视角,并为基于石墨炔的储能装置的结构提出新的研究思路。随着高性能储能装置的快速发展,电化学储能材料要求拥有更高的容量,更高的性能和超长的循环寿命。为了达到这样的要求,需要开发新的电极材料和能量系统。基于石墨炔的材料的研究不但丰富了碳材料的家族成员,在储能领域也显示出巨大的发展潜力。进一步完善制备策略,明确石墨炔的内在化学-物理性质,有助于进一步改善器件性能并拓展石墨炔材料在储能领域的应用范围。