Todimensionelle kulstofnetværk:Graphdiyne som et funktionelt lithium-ion lagringsmateriale

Lithium-ion-batterier indeholder normalt grafitiske carboner som anodematerialer. Forskere har undersøgt carbonic nanoweb graphdiyne som et nyt todimensionalt kulstofnetværk for dets egnethed i batteriapplikationer. Graphdiyne er lige så fladt og tyndt som grafen, som er den tynde udgave af et-atomart lag af grafit, men det har en højere porøsitet og justerbare elektroniske egenskaber. I journalen Angewandte Chemie , forskere beskriver dens enkle bottom-up syntese fra skræddersyede precursor-molekyler.

Kulstofmaterialer er de mest almindelige anodematerialer i lithium-ion-batterier. Deres lagdelte struktur tillader lithiumioner at rejse ind og ud af mellemrummene mellem lagene under battericykling, de har et meget ledende todimensionalt sekskantet krystalgitter, og de danner en stald, porøst netværk for effektiv elektrolytpenetrering. Imidlertid, finjusteringen af ​​de strukturelle og elektrokemiske egenskaber er vanskelig, da disse kulstofmaterialer for det meste fremstilles af polymert kulstof i en top-down syntese.

Graphdiyne er et hybridt todimensionelt netværk lavet af sekskantede kulstofringe, der er brokoblet af to acetylenenheder ("diynen" i navnet). Graphdiyne er blevet foreslået som en nanoweb-membran til adskillelse af isotoper eller helium. Imidlertid, dets distinkte elektroniske egenskaber og web-lignende struktur gør også grafdiyn velegnet til elektrokemiske applikationer. Changshui Huang fra det kinesiske videnskabsakademi, Beijing, og kolleger har undersøgt lithium-lagringskapaciteten og de elektrokemiske egenskaber ved skræddersyede, elektronisk justerede graphdiyne-derivater.

Forskerne syntetiserede graphdiyne-derivaterne i en bottom-up-strategi ved at tilføje precursor-molekyler på en kobberfolie, som selvorganiserede sig for at danne ordnede lagdelte nanostrukturer. Brug af monomerer indeholdende funktionelle grupper med interessante elektroniske egenskaber, forfatterne udarbejdede funktionelle grafdiyner med distinkte elektrokemiske og morfologiske egenskaber.

Blandt disse funktionelle grupper er dem, der udøver elektrontilbagetrækningseffekter, reducerede båndgabet af grafdiyn og øgede dets ledningsevne, rapporterede forfatterne. Cyanogruppen var særlig effektiv og, når det bruges som et anodisk materiale, den cyanomodificerede graphdiyne viste fremragende lithium-lagringskapacitet og var stabil i tusindvis af cyklusser, som forfatterne rapporterede.

I modsætning, når graphdiyne blev modificeret med voluminøse funktionelle grupper (methylgrupper), der donerer elektroner til graphdiyne netværket, forfatterne observerede en større lagafstand, hvilket gjorde materialestrukturen ustabil, så anoden kun overlevede få opladnings- og afladningscyklusser. Forfatterne sammenlignede også begge modificerede graphdiyne materialer med en "tom" version, hvor kun brint indtog positionen af ​​de funktionelle grupper i netværket.

Forfatterne konkluderer, at modificeret grafdiyn kan fremstilles ved en bottom-up-strategi, som også er bedst egnet til at bygge funktionelle todimensionale kulstofmaterialarkitekturer til batterier, kondensatorer, og andre elektrokatalytiske enheder.