石墨炔在电化学储能器件中的应用

当今社会,电化学储能器件在人类的社会活动中变得越来越重要。电极材料作为电化学储能器件的核心部分,一直是人们研究的焦点。石墨炔是一种新型的二维平面结构的全碳材料,它宽的层间距、大的比表面积、独特的三维孔隙结构和好的导电性使其在能源存储器件电极材料应用中具有巨大的潜力。基于石墨炔温和的制备方法与独特的结构特征,本文详细介绍了近年来石墨炔在储能方面的理论分析和实验进展。通过研究锂/钠在单层、多层石墨炔上的迁移率和存储,理论分析石墨炔基电池具有很好的储锂储钠性能。实验方面,石墨炔作为电极材料在储钠储锂方面的容量与理论值相近。此外石墨炔作为电极材料成功应用于超级电容器和金属-硫电池,并表现出了优异的容量存储性能。石墨炔纳米形貌的调控、石墨炔的热处理,以及异原子的掺杂等均可以有效地提高石墨炔在这些储能器件中的性能。     

石墨二炔及其电子转移增强特性

石墨二炔是由sp和sp²杂化的碳原子构成的新的碳同素异形体。由于石墨二炔具有独特的拓扑结构和电子结构、较高的电荷迁移率及优异的电子传输性能,使其与其他材料相互作用,可表现出独特的电子转移增强特性。本文基于石墨二炔的电子转移增强特性,概述了石墨二炔及其电子转移增强特性的最新研究进展,包括金属氧化物/石墨二炔、金属纳米颗粒/石墨二炔、聚合物/石墨二炔以及染料分子/石墨二炔等多种石墨二炔基材料。本文从理论和实验研究两个方面详细阐述了石墨二炔的电子转移增强特性、石墨二炔与不同材料的相互作用以及相关的应用。希望该综述能对石墨炔化学的发展起到一定的积极作用。     

二维碳石墨炔的结构及其在能源领域的应用

从二维碳材料石墨炔(GDY)的分子和电子结构出发,重点论述石墨炔在能源存储和转换两个领域的应用,包括最新的理论和实验进展。石墨炔独特的三维孔隙结构,使得石墨炔在锂存储和氢气存储应用中具备天然的优势,既可以用作锂离子相关的储能器件,包括锂离子电池、锂离子电容器等;也可作为储氢材料,用于燃料电池等。通过掺杂的方法,还能进一步提高石墨炔储锂和储氢的性能。由于sp炔键和sp²苯环的存在,使石墨炔具有多重共轭的电子结构,在具备狄拉克锥的同时,其带隙也可通过多种途径调控,使得石墨炔不仅可以作为非金属高活性催化剂替代贵金属在光催化等方面应用,还可以在太阳能电池的空穴传输层和电子传输层方面获得应用,展现了石墨炔在能源方面独特的应用价值。我们将从理论预测和实验研究两方面介绍该领域目前的研究现状和发展趋势。     

石墨炔电化学电池界面构筑

石墨炔是新兴的碳同素异形体, 其独特的结构和性质引起了不同领域科学家的广泛关注. 研究表明, 石墨炔在能源、 催化、 光学、 磁学、 信息科学和生命科学等领域发展潜力巨大. 近年来, 石墨炔在电化学能源领域的基础和应用研究展现了石墨炔作为电化学能源材料所具有的独特优势, 为解决电化学能源器件所面临的科学瓶颈提供了新理念、 新方法和新概念. 本文综合评述了近3年来石墨炔在电化学电池界面应用方面的研究进展, 主要涉及二维石墨炔的制备和结构优势, 及其为多种电化学电池电极界面构筑、 界面选择性传输及电极界面稳定性等带来的新启发.     

石墨炔结构表征及在光电催化反应中的应用

石墨炔是一种新型碳材料,自2010年实验室成功制备后受到广泛关注。石墨炔是一种由sp和sp²杂化碳组成的高度共轭结构。随着石墨炔合成化学的发展,多种不同构型的石墨炔被制备和表征。石墨炔特殊的电子和孔结构,使其在催化领域中具有广泛的应用。本文总结了近年来石墨炔材料在表征方法和光电催化反应方面的研究进展,并探讨了石墨炔未来发展的机遇和挑战。     

基于有机物电极的电化学能量存储与转化

由于高安全的特性,水系二次电池被认为是未来大型储能的有效解决方案之一. 然而,现有水系电池主要以含金属元素的无机化合物为电极活性材料,其在大型储能中的实际应用仍受到循环寿命、环境问题、原料成本或金属元素丰度的限制. 相较于无机电极材料,部分有机电极材料具有原料丰富、结构丰富、可持续及环境友好等优点. 此外,有机物材料分子内空间大,能够存储不同价态电荷,因此近年来被广泛关注. 本文综述了课题组近期在有机物电极方面的研究进展,内容聚焦含羰基有机物通过C=O/C-O-的可逆转化存储单价金属阳离子(Li⁺, Na⁺)、双价金属阳离子(Zn²⁺)、质子(H⁺)所涉及的电化学过程,及其在水系锂、钠离子电池、水系锌离子电池、质子电池以及分步电解水中的应用.     

石墨双炔的合成方法

石墨炔是一种新型碳的同素异形体,是由sp和sp²两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料。其中,石墨双炔是石墨炔家族中重要的一员,其独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性,使之在电化学、光催化、非线性光学、电子学等诸多领域优势显著,因此,发展石墨双炔的制备方法有着重要的意义。本文将首先介绍石墨双炔的结构,随后主要介绍石墨双炔合成方法的研究进展,包括有机全合成、表面在位化学反应和溶液相聚合反应等几个方面,其中溶液相聚合的方法取得了较为突出的进展。在本文的最后,主要探讨了石墨双炔合成方法中的挑战与机遇,并对合成方法的未来进行了展望。     

石墨炔的化学修饰及功能化

石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景。近几年石墨炔的基础和应用研究已取得了重要成果,并迅速成为了碳材料研究中的新领域。石墨炔中炔键单元的高活性为其化学修饰与掺杂提供了良好的平台。在这篇综述中,我们将重点介绍石墨炔的非金属杂原子掺杂、金属原子修饰以及表面改性,并深入探讨掺杂与衍生化对石墨炔材料的电子性质的影响及其对光电化学催化性能的协同增强。     

金属草酸盐基负极材料——离子电池储能材料的新选择

商业化锂离子电池石墨负极和锂盐过渡金属氧化物正极材料的储锂容量都已接近各自的理论值,探索下一代高能量密度电极材料是解决现阶段锂离子电池容量限制的关键。近年来,新型金属草酸基负极材料,借助其在金属离子电池中多元化储能机制诱发的较高储能效应在碱金属离子电池绿色储能材料领域备受关注。本文就金属草酸基材料在锂、钠、钾金属离子电池方面的最新研究进行了综述,着重介绍了材料的晶型结构、多元化储能机制及储能过程中的动力学特征,简单阐述了材料在电化学储能中存在的问题,分析了金属草酸基负极材料在形貌晶型控制、界面碳复合改性和金属元素掺杂方面的改性策略。最后,预测了金属草酸基负极材料在碱金属离子电池体系的发展方向。     

二次离子电池高比容量负极碳载体的研究进展

二次离子电池商业化负极石墨的比容量已接近理论比容量. 合金型负极和金属负极因具有高比容量而受到广泛关注, 但其循环性能差和安全性问题限制了实际应用, 据此提出载体设计策略. 碳材料具有来源广泛、 易于调控等特性, 常用作二次离子电池高比容量负极的载体. 本文从碳载体的孔结构、 比表面积、 电子导电率、 离子导电率、 杂原子掺杂和界面修饰的角度出发, 综述了其在硅基、 磷基、 锗基、 锡基负极以及金属锂、 钠等负极中的研究进展, 展望了碳载体的发展前景和方向.     

Architecting Pyrenyl-graphdiyne Nanowalls for High Capacity and Long-life Lithium Storage

Graphdiyne,as the novel carbon allotrope,which is composed of sp2-and sp-hybridized carbon,has exhibited excellent catalytic activity and conductivity.It has been applied in series of fields,such as Li-battery,catalyst and energy conversion.Expanding well-defined structures and useful applications of graphdiyne is still full of challenges in material chemistry.Herein,we optimized the synthesis condition of pyrenyl-graphdiyne to obtain the nanowall structure.Compared with the typical nanosheet structure,the pyrenyl-graphdiyne nanowalls(Pyr-GDY-NWs)have more area for lithium insertion.Lithium-ion battery featuring Pyr-GDY-NWs-based electrode exhibits a high reversible specific capacity up to 1464 mA·h/g,which is triple than that of the commercial graphite.We also used the theoretical calculation to investigate the mechanism of Li storage in Pyr-GDY-NWs.The experiment and theoretical data showed that Pyr-GDY-NWs had the potential application in lithium batteries.Therefore,Pyr-GDY with a defined structure would be applied in energy storage and energy conversion.     

电化学储能研究22年回顾

本文回顾了22年来作者的电化学储能研究活动,共分三个部分. 第一部分叙述高比能量、高比功率储能器件研究,包括锂硫电池研究（硫复合正极材料、锂硫电池制作、锂硼合金作为锂硫电池负极、硫-锂离子电池新体系）、超级电容器研究（超级活性炭、以酚醛树脂为原料制备电容炭、碳纳米管阵列中寄生准电容储能材料、氧化镍干凝胶准电容储能材料、归纳出电容炭材料的性能要求、电容器研制、确定“第四类”超级电容器）、锂离子电池研究（锂离子电池与可再生燃料电池的对决、双变价元素正极材料、磷酸钴锂正极材料、高功率锂离子电池的制作）. 第二部分叙述规模储能电池研究,包括液流电池新体系研究（蓄电与电化学合成的双功能液流电池、全金属化合物单液流电池、有机化合物正极的单液流电池）、致力于振兴铅酸电池（推广铅蓄电池新技术、铅炭电池的研究、铅酸电池新型板栅的研究）,储能电池（站）的经济效益计算方法. 第三部分叙述电动汽车发展路线研究,包括氢能燃料电池电动汽车、纯电动汽车与混合动力汽车、对我国电动汽车发展路线的建议、力争电动汽车补贴的合理化、坚守电动汽车“节能减排”宗旨、提出“发电直驱电动车”. 最后的结束语谈了三点感悟.     

2020 Roadmap on Carbon Materials for Energy Storage and Conversion

Carbon is a simple, stable and popular element with many allotropes. The carbon family members include carbon dots, carbon nanotubes, carbon fibers, graphene, graphite, graphdiyne and hard carbon, etc. They can be divided into different dimensions, and their structures can be open and porous. Moreover, it is very interesting to dope them with other elements (metal or non‐metal) or hybridize them with other materials to form composites. The elemental and structural characteristics offer us to explore their applications in energy, environment, bioscience, medicine, electronics and others. Among them, energy storage and conversion are extremely attractive, as advances in this area may improve our life quality and environment. Some energy devices will be included herein, such as lithium‐ion batteries, lithium sulfur batteries, sodium‐ion batteries, potassium‐ion batteries, dual ion batteries, electrochemical capacitors, and others. Additionally, carbon‐based electrocatalysts are also studied in hydrogen evolution reaction and carbon dioxide reduction reaction. However, there are still many challenges in the design and preparation of electrode and electrocatalytic materials. The research related to carbon materials for energy storage and conversion is extremely active, and this has motivated us to contribute with a roadmap on ‘Carbon Materials in Energy Storage and Conversion’.     

水系锌离子二次电池锌负极的研究进展

锌离子二次电池具有优异的充放电性能、高功率密度和能量密度、低成本、高安全性和环境友好的特点,极具发展前景。金属锌,因优异的导电性、低的平衡电势、高的理论比容量和低成本等因素,是水系二次电池中理想的负极材料,然而也存在着枝晶生长、腐蚀和钝化等问题,限制了锌离子二次电池的可逆容量和循环寿命,通过优化调节锌负极的形貌与表面修饰等方法可以提高电池性能。本文综述了水系锌离子二次电池负极材料的研究进展,涵盖了金属锌负极、复合锌负极和锌合金,且展望了锌负极的发展前景。     

全钒液流电池碳电极材料的研究进展

近年来,全钒液流电池作为一种大规模储能装置,其电极材料得到了广泛的研究,并且获得了一定的进展.本文简述了全钒液流电池对电极材料的要求,综述了其电极材料的研究进展,重点介绍了碳电极及其改性方面的工作,并对其电极材料的发展趋势进行了展望.     

A Hierarchically Ordered Mesoporous-Carbon-Supported Iron Sulfide Anode for High-Rate Na-Ion Storage

Sodium-ion batteries (SIBs) are promising alternatives to lithium-based energy storage devices for large-scale applications, but conventional lithium-ion battery anode materials do not provide adequate reversible Na-ion storage. In contrast, conversion-based transition metal sulfides have high theoretical capacities and are suitable anode materials for SIBs. Iron sulfide (FeS) is environmentally benign and inexpensive but suffers from low conductivity and sluggish Na-ion diffusion kinetics. In addition, significant volume changes during the sodiation of FeS destroy the electrode structure and shorten the cycle life. Herein, we report the rational design of the FeS/carbon composite, specifically FeS encapsulated within a hierarchically ordered mesoporous carbon prepared via nanocasting using a SBA-15 template with stable cycle life. We evaluated the Na-ion storage properties and found that the parallel 2D mesoporous channels in the resultant FeS/carbon composite enhanced the conductivity, buffered the volume changes, and prevented unwanted side reactions. Further, high-rate Na-ion storage (363.4 mAh g⁻¹ after 500 cycles at 2 A g⁻¹, 132.5 mAh g⁻¹ at 20 A g⁻¹) was achieved, better than that of the bare FeS electrode, indicating the benefit of structural confinement for rapid ion transfer, and demonstrating the excellent electrochemical performance of this anode material at high rates.     

钾离子电池负极的高性能潜在材料:锑

近年来随着对储能器件的需求增加,钾离子电池受到越来越多的关注。钾的物理化学性质与锂相似,且在地壳中的储量丰富,在储能领域中具有广阔的发展前景。但由于电极材料实际容量远小于理论容量等问题的存在导致应用在钾离子电池的性能仍有不足。金属锑(Sb)具有较高的理论容量被广泛应用在电极材料上,然而在充放电过程体积变化过大导致稳定性较差,需要通过形貌控制、合金化、与碳材料复合等形式来提高结构稳定性。本文主要介绍了Sb材料在钾离子电池负极材料的研究进展,并展望了Sb电极材料的应用前景。     

核壳结构金属-有机骨架及其衍生物在锂离子电池负极材料中的应用

金属–有机框架(MOFs)材料具有比表面积较大、孔径可调、制备容易、结构与功能多样性等优势,被广泛应用于电化学能源转化与储存领域。其中独特的核壳结构材料由于表面修饰的作用往往更能表现出核内与壳层的协同作用。本文介绍了具有核壳结构MOFs作为锂离子电池负极材料的发展现状,并重点综述其衍生物(多孔碳材料、金属氧化物、金属硫/硒化物以及金属/金属氧化物)的制备方法以及在锂离子电池负极中的应用。MOFs通过高温煅烧或改变化学反应条件的方法,可制备出结构可调的传统无机电极材料并表现出更优异的电化学性能。最后总结了核壳结构MOFs材料作为锂电负极材料存在的问题和挑战,并提出可能的解决途径和未来的应用前景。     

锂电池极片微结构优化及可控制备技术进展

锂离子电池是应用最广泛的电化学储能器件,目前,经济的快速发展对其提出了更高的要求。 电极微观结构对电池性能影响显著,电极微结构精细设计及可控制备成为锂离子电池领域的研究热点之一。 本文结合锂离子电池最新发展趋势,总结了锂离子电池电极反应基本过程及电极微结构的表征技术,然后概述了近几年电极微观结构的设计与优化,并分析了电极微结构的关键特征。 基于理想的电极结构,综述了电极可控制备技术的最新进展。     

金属硫化物在可充电电池中的研究进展

低成本、长寿命、高安全性、高性能且易于大规模生产的锂/钠离子电池已被证实为重要的二次储能设备。 电极材料对锂/钠电池性能与循环寿命影响极大,金属硫化物由于具有高比容量和低电势而极具潜力成为锂/钠离子电池负极材料。 在电化学循环过程中,由于金属硫化物容易产生穿梭效应和体积变化,从而电极材料结构被破坏,进一步导致电池容量衰退、稳定性降低。 本文总结了多种金属硫化物的微观结构调控策略,从三维空间构建到与其它材料的复合,增强了电极的导电性和减缓体积变化带来的负面影响,进而获得性能优异的金属硫化物负极材料。 通过对金属硫化物的结构与性能的讨论,对其研究前景进行了积极的展望。