石墨炔材料是一種唯一能通過低溫、常壓下合成，同時(shí)含有sp和sp2兩種雜化形式碳的二維平面全碳材料，是中國科學(xué)家在國際上引領(lǐng)的新的研究領(lǐng)域，具有中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前石墨炔已實(shí)現(xiàn)了樣品的快速宏量制備，及百平方厘米大面積、高質(zhì)量薄膜的可控制備(圖1)。石墨炔具有大共軛體系、優(yōu)異的導(dǎo)電性能、及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，特別是豐富的分子孔道可以提供更多的存儲(chǔ)空間及位點(diǎn)，有利于鋰鈉等金屬的吸附及傳輸。因此，石墨炔材料在多種儲(chǔ)能器件方面均展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能和巨大的應(yīng)用空間。石墨炔的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，一直吸引世界各國科學(xué)家的目光。

近日，在中國科學(xué)院院士李玉良的指導(dǎo)下，中科院青島生物能源與過程研究所研究員黃長水帶領(lǐng)的碳基材料與能源應(yīng)用研究組，將石墨炔類材料先后應(yīng)用于鋰離子電池、鈉離子電池、超級(jí)電容器、鋰硫電池等多種能源存儲(chǔ)器件，并對石墨炔材料結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了深入研究(圖1)。

該研究組研發(fā)、制備了一類新型的硼代石墨炔，并通過理論計(jì)算與器件性能表征相結(jié)合的方式對其能帶結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能及儲(chǔ)鈉機(jī)制進(jìn)行深入分析。通過理論計(jì)算，研究了硼代石墨炔材料的能級(jí)在炔鍵(sp碳)與中心雜原子(B)上的分布情況，并進(jìn)一步分析該類材料能級(jí)結(jié)構(gòu)與在實(shí)驗(yàn)中所展現(xiàn)的輸運(yùn)性能之間的關(guān)系。通過對硼代石墨炔雙層排列構(gòu)型的理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中獲得XRD散射角及分子孔道孔徑與分布情況相結(jié)合，探討了硼代石墨炔分子結(jié)構(gòu)與分子平面堆積方式，以及孔徑結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，硼代石墨炔對鈉原子特殊的化學(xué)吸附作用，可以獲得極高的理論儲(chǔ)鈉容量。器件測試結(jié)果也證實(shí)以硼代石墨炔為電極材料的鈉離子電池，具有優(yōu)異的綜合性能，充分顯示了該類材料在鈉離子電池器件中具備很強(qiáng)的應(yīng)用潛力，開創(chuàng)了新型儲(chǔ)能器件電極材料研究的新方向。相關(guān)研究成果被選為VIP文章發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。

研究工作獲得國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、中科院“百人計(jì)劃”、山東省杰出青年基金等的支持。

圖1.石墨炔材料在能源存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用

圖2.硼代石墨炔在鈉離子電池中的應(yīng)用