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.     

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.     

绿色电化学储能器件超级电容器的实验设计与实践*

以超级电容器实验为例,将绿色化学科学研究转化为实验教学的基本设计思路,学习双电层电容器和法拉第准电容器的工作原理、组装及性能测试方法(循环伏安法和恒流充放电法),分析循环伏安曲线、比电容、能量密度和功率密度,总结2者的不同。实践结果表明:电化学基础和科学研究的成功联通,让学生对电化学概念和原理有了更深刻的理解,并获得关于清洁能源储存器件的实践经验,同时也增强了学生的绿色化学素养。     

基于无机电致变色材料的变色储能器件

电致变色和电化学储能的原理均是基于电荷在电极中的嵌入或脱出而发生的氧化还原反应,具有相同的电化学本质。将电致变色和电化学储能功能集成在一起的电化学器件即电致变色储能器件。以锂离子电池为代表的电化学储能器件已广泛商业化,单一功能的电致变色器件也已被广泛报道并有商业化应用,但有关电致变色储能器件的研究仍然停留在实验阶段。该类器件在电化学储能的同时,可以改变其在可见光甚至红外波段的透射率,并可用颜色指示器件的荷电状态,为电化学器件提供新的应用前景。电致变色储能器件主要包括电致变色超级电容器、电致变色电池和光驱动电致变色智能窗等。电致变色超级电容器和电致变色电池以同时具有电致变色效应和电荷存储性质的材料为正负电极,光驱动电致变色智能窗则还包括将光能转化为电能的光电转换部分。这些器件可用于建筑节能智能窗、静态显示、智能传感等。此外,在柔性基底上制备的可穿戴电致变色储能器件在智能服装、植入显示器和电子皮肤等方面具有应用潜力。本文从基本原理、研究进展和应用领域等方面对无机电致变色储能材料与器件进行综述,并提出未来的研究展望。     

石墨炔衍生物的合成与应用

石墨炔是由sp和sp²两种杂化碳构成的新型二维碳同素异形体。基于石墨炔化学合成规律和独特优势,利用其他芳炔前体替代六乙炔基苯,可以获得结构特异、尺寸可控的石墨炔基衍生物,而局域碳骨架的改变可以实现石墨炔衍生物性能调控,包括电导率、带隙、迁移率、空腔尺寸和电荷分离等。这类具有优良半导体性能的石墨炔基衍生物可以广泛应用于电化学储能、电催化、光电转换器件、非线性光学等诸多领域。本文主要综述了近年来石墨炔衍生物的优化设计、结构表征和光电性能,并对其代表性应用进行了总结和展望。     

界面法制备三嗪取代石墨炔及其储钠性能研究

以三乙炔基取代三嗪为反应前体,以醋酸铜为催化剂,研究了三嗪取代石墨炔（T-GDY）的两相合成方法,并对其储钠性能进行了研究。该方法所用反应前体能够在水和有机相的两相界面处与催化剂接触从而高选择性反应并生成T-GDY。所制备的T-GDY具有大量的活性异原子中心和均匀孔道构造,能够为钠离子提供大量的存储位点和传输通道。基于T-GDY的钠离子电池在100 mA g-1的电流密度下表现出了550 mA h g-1高比容量,在2000 mA g-1的电流密度下循环1000圈,仍有95%的容量保持率,展现出良好的储钠应用前景。此外,该合成方法还具有温和的反应条件、催化剂廉价、操作简便等优势,为石墨炔类衍生物的制备和性质研究提供了一种可行的研究方向。     

高分子基电极材料在电化学储能中的应用进展

高效电化学活性材料是实现高性能电化学储能设备的关键核心之一.如何在原子层次对电极材料微观结构进行精密调控,并发展有效合成策略和方法实现的结构控制合成,以提升器件电化学性能是备受关注的科学问题和基础研究的前沿.高分子材料理化结构丰富、官能团种类可调,已成为现代工业发展中的重要基石.特别是刚性芳杂环高分子基材料由于含有芳杂环结构,利于高温聚合且残炭率高,在碳化后具有良好的元素、形貌继承性,因此刚性芳杂环高分子基材料近年来在电化学储能领域也得到了广泛应用.系统总结了刚性芳杂环高分子基电极材料在超级电容器、钠离子电池、锂硫电池等电化学储能器件中的应用.并特别介绍了本课题组通过本征掺杂方式创制出的系列元素、形貌可控的高分子基电极材料.最后,总结并展望了高分子基材料在能源领域中未来的研究方向.     

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。     

石墨炔类结构储锂性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理的计算方法, 研究了石墨炔类结构的储锂性能, 结果表明, 石墨炔类体系是一种理想的储锂材料, 锂原子通过向衬底转移电荷而带正电, 彼此之间的库仑排斥作用避免了锂原子的团簇化. 通过比较石墨一炔到石墨五炔的储锂性能, 发现并不是炔键越多其储锂性能就越好, 还需考虑炔键的增多对结构稳定性的影响. 在保证石墨炔类结构稳定的前提下, 石墨二炔和石墨五炔达到LiC₃的最大储锂量.     

CVD 法制备三维石墨烯的电化学储能性能

维石墨烯是由二维石墨烯构成的三维网络结构,多孔的网络结构赋予了三维石墨烯超大的比表面积、超高的机械强度以及优异的电子传输通道. 因其优异的性能,三维石墨烯及其复合材料已经广泛地应用于能源、化学和生物等研究领域. 在三维石墨烯的合成方法中,化学气相沉积法由于制备的三维石墨烯具有高纯度、良好结晶性和优异的机械性能而备受推崇. 本文结合当前研究热点,综述了化学气相沉积法制备三维石墨烯及其复合材料在电化学储能领域（铝电池、锂离子电池、锂-硫电池、钠离子电池、金属-空气电池、超级电容器）中的应用,并简要评述当前化学气相沉积法制备三维石墨烯在应用中所面临的挑战及发展前景.     

Graphdiyne:A Versatile Material in Electrochemical Energy Conversion and Storage

Graphdiyne(GDY),which is composed of sp2-/sp-hybridized carbon atoms,has attracted increasing attention.In the structure of GDY,the existence of large triangular-like pores,well dispersed electron-rich cavities as well as a large π-conjugated structure endows GDY with a natural bandgap,fast electron/ion transport,and tunable electronic properties.These unique features make GDY competitive in areas of gas separation and capture,electronics,detectors,catalysts,biomedicine and therapy,and energy-related fields.Benefiting from the facile synthesis method,various GDY structures and GDY-based composites have been successfully prepared and show great potential in the practical application of energy storage and catalysis areas.Here,this review aims at providing a timely and comprehensive update on the preparation and application of GDY materials.The current development of GDY materials in various electrochemical fields especially in energy conversion,energy storage,and catalysis is mainly summarized.Moreover,the potential development prospects are also discussed.     

Electrochemical Energy Storage Electrodes via Citrus Fruits Derived Carbon: A Minireview

This review investigates the synthesis and electrochemical performance of the electrode of the electrochemical energy storage (EES) devices obtained from peels and scraps of the citrus fruits. The EES devices include batteries, supercapacitors, and hybrid systems that have considerable value and various applications. The electrode is considered as the most important part of all EES devices. Tremendous efforts have been done to enhance the electrochemical energy storage electrode (EESE). The citrus fruits abundance leads to a decrease in their price and makes possible to use them as ingredients to fabricate EESE. Also, the electrochemical analyses determined that citrus fruits have considerable potential to use as the EESE. Using citrus fruits peels and scraps as biomass substances to prepare EESE leads to the electrodes which have low cost, environmentally friendly and appropriate electrochemical applications.     

Post-modified Strategies of Graphdiyne for Electrochemical Applications

The new carbon material graphdiyne (GDY) has been verified to have a great application prospect in electrochemical field. In order to study its properties and expand its scope of application, various experiments including structural control tests are imposed on GDY. Among them, as one of the most commonly used methods to modify the structure, heteroatom doping is favored for its advantages in synthesis methods and the control of mechanical, electrical and even magnetic properties of carbon materials. According to the published studies, the top-down methods of doping heteroatoms for GDY only need cheap raw materials, simple synthetic route and strong controllability, which is conducive to rapid performance breakthroughs in electrochemical applications. This review selects the typical cases in the development of that post-modification method from the application of GDY in the electrochemical field. Here, based on the existed reports, the commonly used non-metal elements (such as nitrogen, sulfur) and metal elements (such as iron) have been introduced to post-modify GDY. Then, a detailed analysis is made for corresponding electrochemical applications, such as energy storage and electrocatalysis. Finally, the challenges and prospects of post-modified GDY in synthesis and electrochemical applications are proposed. This review provides us a useful guidance for the development of high-quality GDY suitable for electrochemical applications.     

Integrated Devices to Realize Energy Conversion and Storage Simultaneously

Other forms of energy are generally converted to electric energy and then transported to electrochemical devices, where the energy is stored, by external electric wires. To further improve total energy conversion and storage efficiency, interest in simultaneously realize the energy conversion and storage in a single device has increased. This Concept describes recent progress in developing such novel integrated energy devices. Both planar and wire architectures are carefully illustrated with an emphasis on the “energy wire” which has been the focus of past developments due to its unique and promising applications, such as being woven into clothes or other complex structures by conventional textile technology. The current challenges and future directions of the integrated devices, particularly in the wire architecture, are summarized.     

新型纤维状能源器件的发展和思考

近年来,可穿戴电子设备受到了人们的广泛关注,柔性、轻质和可集成成为发展的主流.然而,随着可穿戴电子设备的快速发展,在能源供给上出现了一些瓶颈难题,如传统块状和板状能源器件难以根据应用要求紧贴不规则基底、柔性相对较低、不能透气导湿,这些问题严重限制了可穿戴设备及其他相关领域的发展.解决上述问题的一个有效策略是将能源器件制成纤维结构.虽然单根纤维状能源器件提供的能量有限,但是它们可以被编成织物,从而输出较高的总能量.同时,能源织物可紧密贴合不规则基底如人体、能透气导湿,有效满足可穿戴设备的应用要求.目前纤维状能源器件包括能量转换和储存两大类,能量转换器件主要有染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池和钙钛矿电池太阳能电池,而能量储存器件则主要有超级电容器、锂离子电池、锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池等.在实际应用中,光电转换和能量储存2个功能往往被集成在同一根纤维状能源器件中.本文重点介绍了纤维状能源器件的发展历史和研究现状,系统总结了这个领域面临的主要挑战,最后展望了本领域未来发展方向.     

液态金属电极的电化学储能应用

液态金属电极电导率高,电极界面容易构建,在充放电过程中可有效避免电极结构形变、枝晶生长等问题,在储能电池领域具有重要应用价值. 本文主要讨论了液态金属电极在液态金属电池、钠硫电池和ZEBRA电池中的应用进展,重点介绍了液态金属电池关键材料体系、充放电机制及电池构型等,评述了液态金属电极储能应用中涉及的熔盐电解质、固态陶瓷隔膜、多场影响因素等方面的重要研究进展,分析了高温密封、腐蚀防护等关键问题,明确了液态金属电极在储能电池应用中的发展方向.     

石墨烯量子点在储能器件中的应用

石墨烯量子点(GQDs)作为新型碳基材料,由于其纳米级小尺寸而具有比表面积大、导电性高、透明性好、荧光性能独特等优点,是一种极具潜力的储能器件电极材料。GQDs与金属化合物、碳材料等形成具有三维空间结构的复合材料,有利于电子扩散和离子传输,大幅度改善GQDs作为电极材料的实际应用性能。异原子掺杂型GQDs可提供较多活性位点,提高活性物质利用率。本文介绍了GQDs的合成策略,主要分为自上而下和自下而上法。不同制备方法对GQDs的粒径大小、表面缺陷位点和荧光特性等的影响也不尽相同。通过阐述近几年GQDs、掺杂型GQDs及其复合物在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池等能源器件方面的应用实例,表明具有量子限域效应和边界效应的GQDs基材料在新型储能器件中有巨大的应用潜力;通过深层剖析GQDs复合物的空间结构对储能器件电化学性能的影响,为今后深入研究奠定基础。此外,指出未来GQDs的发展方向是寻找快速、绿色环保的大批量合成方法,均匀、有效的掺杂或复合以及构建独特空间结构的电极材料,进一步提高其应用于储能器件时的电化学性能。