隨著電動汽車的快速發(fā)展，高容量、高穩(wěn)定性的可充電電池受到了公眾的廣泛關(guān)注。為了開發(fā)新型高效電池，探索新型電極材料被認為是最有前景的途徑之一。目前已經(jīng)有許多材料如石墨烯、石墨炔、COFs、MOFs、聚合物、金屬配合物等，作為有潛力的電極材料被開發(fā)研究。然而，對于不同種類的堿金屬如鋰（Li）、鈉（Na）和鉀（K），由于這些離子的直徑和性質(zhì)不同，很少有材料可以同時適應并作為鋰離子電池（LIBs）、鈉離子電池（NIBs）、鉀離子電池（KIBs）的電極材料。通過對材料的化學成分和空間構(gòu)型進行預先設計，使其具有豐富的存儲空間和有效的擴散路徑，將會是實現(xiàn)開發(fā)制備多功能儲能材料的有效途徑。
近日，青島能源所黃長水研究員，與中科院化學研究所李玉良院士合作，開發(fā)制備了一種硅原子取代的三維石墨炔材料硅-鉆炔（Si-DY），這種硅取代石墨炔材料具有明確的骨架構(gòu)造，是由sp3雜化的Si原子通過直線型丁二炔鍵鏈接構(gòu)成穩(wěn)定的三維多孔類金剛石骨架。在前期石墨炔類材料的合成開發(fā)研究基礎(chǔ)上(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3968; Nat. Commun. 2017, 8, 1172; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10740; Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2893; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 11186; Appl. Catal. B Environ. 2020, 261, 118234)，碳基材料與能源應用研究組工作人員通過四乙炔基硅烷在銅箔表面發(fā)生的交叉偶聯(lián)反應，制備得到的具有三維類金剛石骨架構(gòu)造的硅取代石墨炔類材料。所制備的Si-DY具有大量的炔鍵，豐富多樣的三維孔道構(gòu)造和良好的導電性。類金剛石骨架不僅能夠保證Si-DY的化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時，其均勻的多孔構(gòu)造也為堿金屬離子的擴散提供了優(yōu)質(zhì)的通道。這些特點確保Si-DY在多功能負極方面具有巨大的應用潛力。
通過固體核磁、掃描電鏡、透射電鏡、拉曼、紅外、X射線光電子能譜、同步輻射等表征，結(jié)合理論計算模擬，證實了Si-DY的三維精確骨架結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，Si-DY本身具有大量的炔鍵和分層級的孔洞構(gòu)造，能夠提供豐富多樣的離子存儲位點和傳輸通道，在堿金屬離子如Li、Na、K的存儲方面均表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。理論計算表明， Si-DY的Li、Na、K理論存儲容量分別為3674, 2810, 1945 mA h g-1，同時，在實驗中也得到了高達2350, 812, 512 mA h g-1的Li、Na、K實際比容量，表明三維多孔的Si-DY在實際儲能方面具有巨大的應用優(yōu)勢。在與其他眾多碳基材料甚至是硅基材料比較之下，Si-DY作為多功能負極在電池中展現(xiàn)了包括超長循環(huán)穩(wěn)定性和卓越倍率性能的優(yōu)秀電化學存儲表現(xiàn)（如圖所示）。
該成果已發(fā)表于國際能源領(lǐng)域知名期刊Advanced Energy Materials上。論文第一作者為楊澤，通訊作者為黃長水研究員和李玉良院士。該研究得到了國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金項目，中科院前沿重點項目，山東省自然科學基金的支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101197
Ze Yang, Yuwei Song, Chunfang Zhang, Jianjiang He, Xiaodong Li, Xin Wang, Ning Wang, Yuliang Li, Changshui Huang, Advanced Energy Materials, 2021, 2101197.
