石墨炔电化学电池界面构筑

doi:10.7503/cjcu20200477

摘要/Abstract

摘要：

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.

关键词: 石墨炔, 锂离子电池, 锂金属电池, 电极保护, 电极界面

Abstract:

Graphdiyne is the emerging carbon allotrope， and its unique structure and properties attract the wide attentions of scientists from different fields. The recent research achievements demonstrate that graph- diyne is a carbon material with great development potentials in the energy， catalyst， optics， magnetic， information science， bioscience， and so on. Recently， the fundamental applications of graphdiyne in the electrochemical energy fields show its unique advantages as the electrochemical energy materials， and it provides many new concepts， and novel solutions for solving the bottlenecks in the electrochemical energy devices. This paper mainly reviews the recent progresses of graphdiyne in the applications of electrochemical energy interface， and summarizes the novel solutions for the interface construction， interfacial selective transfer， and interfacial stability in several electrochemical energy sources， inspired by the unique properties of graphdiyne in the preparation and structures.

Key words: Graphdiyne, Li-ion battery, Li metal battery, Electrode protection, Electrode interface

中图分类号:

O646

TrendMD:

高小雅, 左自成, 李玉良. 石墨炔电化学电池界面构筑. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 321.

GAO Xiaoya, ZUO Zicheng, LI Yuliang. Construction of Graphdiyne Interface in Electrochemical Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 321.

图/表 10

Fig.1 Structural characters of graphdiyne(A) and its possible roles in the electrode interface(B)

Fig.2 Characterization of silicon anode coated by graphdiyne and the performance[44](A) TEM images of the silicon nanoparticles protected by the graphdiyne in large scale; (B) TEM image of the graphdiyne nanosheet; (C) TEM images of the graphdiyne on the silicon nanoparticles; (D, E) rate performance(D) and long-term stability(E) of the silicon electrode before and after coating graphdiyne;(F) the scheme showing the mechanism of performance enhancement of silicon anode. Copyright 2018, Wiley-VCH.

Fig.3 Top view(A—C) and side view(D—F) SEM images of graphdiyne?coated metal oxide electrodes with different morphologies and their electrochemical performance(G—H)[49](A, D, G) Nanorods; (B, E, H) nanowalls; (C, F) nanospheres. Copyright 2019, Wiley-VCH.

Fig.4 Top view(A) and side view(B) of the optimized structural model for the calculation and the plot of the binding energy between the graphdiyne and the LiCoO2 cathode(C)[53]Copyright 2018, Royal Society of Chemistry.

Fig.5 Problems of organic cathodes(A, B) and the potential of graphdiyne for protecting the organic cathodes(C) and SEM images of the sodium rhodizonate dibasic before(D) and after(E) graphdiyne coating[66]Copyright 2020, Wiley-VCH.

Fig.6 Characterization of the sulfur cathode[69](A) Scheme of the H-graphdiyne(HSGY@S) for the sulfur cathode; (B, C) SEM(B) and (C) TEM image of HSGY@S; (D—F) elemental distribution images of samples. Copyright 2019, Wiley-VCH.

Fig.7 Preparation and characterization of the S@Nafion@graphdiyne cathode[75](A) Illustrations to showing the preparation of the electrode; (B, C) SEM(B) and TEM(C) images of the electrode;(D,E) the electrochemical performance of the electrode with S loading of 1.5 mg/cm2(D) and 3 mg/cm2(E). Copyright 2020, Elsevier.

Fig.8 Graphdiyne film for suppressing lithium dendrites[87](A) SEM of graphdiyne film;(B) polarization curves of lithium deposition process; (C, D) possible behaviors of lithium deposition without(C)and with(D) graphdiyne film. Copyright 2018, Elsevier.

Fig.9 Interaction between N?doped graphdiyne and Li atoms[89](A, B) N configurations(A) and its corresponding N1s XPS(B) in graphdiyne;(C) the binding energy between different N configurations and Li atom; (D—F) the optimized structure of Li atom on the Cu(D), graphdiyne (E) and N-doped graphdiyne(F). Copyright 2019, Royal Society of Chemistry.

Fig.10 Graphdiyne film for suppressing the Zn dendrites[90](A, B) Top view(A) and side view(B) morphologies of the H-graphdiyne(HsGDY) on the Zn electrode; (C) transport of Zn ions in the HsGDY film; (D) electrochemical stability of HsGDY-modified Zn electrode; (E) morphologies of the Zn electrodes after cycling. Copyright 2020, Wiley-VCH.

参考文献 91

1	Goodenough J. B.， Acc. Chem. Res.， 2012， 46， 1053—1061
2	Fan E.， Li L.， Wang Z.， Lin J.， Huang Y.， Yao Y.， Chen R.， Wu F.， Chem. Rev.， 2020， 120， 14， 7020—7063
3	Winter M.， Brodd R. J.， Chem. Rev.， 2004， 104， 4245—4270
4	Li B.， Liu J.， Natl. Sci. Rev.， 2017， 4， 91—105
5	Massé R. C.， Liu C.， Li Y.， Mai L.， Cao G.， Natl. Sci. Rev.， 2017， 4， 26—53
6	Konarov A.， Myung S. T.， Sun Y. K.， ACS Energy Lett.， 2017， 2， 703—708
7	Melot B. C.， Tarascon J. M.， Acc. Chem. Res.， 2013， 46， 1226—1238
8	Cao G.， Natl. Sci. Rev.， 2017， 4， 16
9	Xin S.， Guo Y. G.， Wan L. J.， Acc. Chem. Res.， 2012， 45， 1759—1769
10	Wassei J. K.， Kaner R. B.， Acc. Chem. Res.， 2013， 46， 2244—2253
11	Yu L.， Shearer C.， Shapter J.， Chem. Rev.， 2016， 116， 13413—13453
12	Siemsen P.， Livingston R. C.， Diederich F.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2000， 39， 2632—2657
13	Kroto H. W.， Heath J. R.， O'brien S. C.， Curl R. F.， Smalley R. E.， Nature， 1985， 318， 162—163
14	Shi L.， Rohringer P.， Suenaga K.， Niimi Y.， Kotakoski J.， Meyer J. C.， Peterlik H.， Wanko M.， Cahangirov S.， Rubio A.， Lapin Z. J.， Novotny L.， Ayala P.， Pichler T.， Nat. Mater.， 2016， 15， 634—639
15	Dai L.， Acc. Chem. Res.， 2013， 46， 31—42
16	Englert J. M.， Dotzer C.， Yang G. A.， Schmid M.， Papp C.， Gottfried J. M.， Steinruck H. P.， Spiecker E.， Hauke F.， Hirsch A.， Nat. Chem.， 2011， 3， 279—286
17	Biswas S.， Senju A.， Mohr R.， Hodson T.， Karthikeyan N.， Knehr K. W.， Hsieh A. G.， Yang X.， Koel B. E.， Steingart D. A.， Energy Environm. Sci.， 2017， 10， 114—120
18	Ji X. L.， K. T.， Nazar L. F.， Nat. Mater.， 2009， 8， 500—506
19	Li X. S.， Cai W. W.， An J. H.， Kim S.， Nah J.， Yang D. X.， Piner R.， Velamakanni A.， Jung I.， Tutuc E.， Banerjee S. K.， Colombo L.， Ruoff R. S.， Science， 2009， 324， 1312—1314
20	Georgakilas V.， Perman J. A.， Tucek J.， Zboril R.， Chem. Rev.， 2015， 115， 4744—4822
21	Li G.， Li Y.， Liu H.， Guo Y.， Li Y.， Zhu D.， Chem. Commun.， 2010， 46， 3256—3258
22	Li Y.， Li Y.， Acta Polym. Sin.， 2015， 2， 147—165
23	Huang Y.， Yuan M.， Li Y.， Chin. J. Inorg. Chem.， 2017， 33， 1914—1936
24	Huang C.， Li Y.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2016， 32， 1314—1329
25	Li Y.， Xu L.， Liu H.， Li Y.， Chem. Soc. Rev.， 2014， 43， 2572—2586
26	Li Y. J.， Li Y. L.， Acta Polymerica Sinica， 2015， 46， 147—165（李勇军，李玉良. 高分子学报， 2015， 46， 147—165）
27	Xue Y.， Guo Y.， Yi Y.， Li Y.， Liu H.， Li D.， Yang W.， Li Y.， Nano Energy， 2016， 30， 858—866
28	Xue Y.， Zuo Z.， Li Y.， Liu H.， Li Y.， Small， 2017， 13， 1700936
29	Wang S.， Yi L. X.， Halpert J. E.， Lai X. Y.， Liu Y. Y.， Cao H. B.， Yu R. B.， Wang D.， Li Y. L.， Small， 2012， 8， 265—271
30	Xue Y. R.， Li J. F.， Xue Z.， Li Y. J.， Liu H. B.， Li D.， Yang W. S.， Li Y. L.， ACS Appl. Mater. Interf.， 2016， 8， 31083—31091
31	Zuo Z.， Wang D.， Zhang J.， Lu F.， Li Y.， Adv. Mater.， 2019， 31， 1803762
32	Zuo Z.， Li Y.， Chin. J. Appl. Chem.， 2018， 35， 1057—1066
33	Zuo Z.， Li Y.， Joule， 2019， 3， 899—903
34	Du Y.， Zhou W.， Gao J.， Pan X.， Li Y.， Acc. Chem. Res.， 2020， 53， 459—469
35	Wang F.， Zuo Z.， Li L.， Li K.， He F.， Jiang Z.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 15010—15015
36	Xue Y.， Huang B.， Yi Y.， Guo Y.， Zuo Z.， Li Y.， Jia Z.， Liu H.， Li Y.， Nat. Commun.， 2018， 9， 1460
37	Xu K.， Chem. Rev.， 2014， 114， 11503—11618
38	Obrovac M. N.， Chevrier V. L.， Chem. Rev.， 2014， 114， 11444—11502
39	Xu Z.， Yang J.， Zhang T.， Nuli Y.， Wang J.， Hirano S. I.， Joule， 2018， 2， 950—961
40	Choi S.， Kwon T. W.， Coskun A.， Choi J. W.， Science，2017， 357， 279—283
41	Ogata K.， Jeon S.， Ko D. S.， Jung I. S.， Kim J. H.， Ito K.， Kubo Y.， Takei K.， Saito S.， Cho Y. H.， Park H.， Jang J.， Kim H. G.， Kim J. H.， Kim Y. S.， Choi W.， Koh M.， Uosaki K.， Doo S. G.， Hwang Y.， Han S.， Nat. Commun.， 2018， 9， 479
42	Son I. H.， Hwan Park J.， Kwon S.， Park S.， Rummeli M. H.， Bachmatiuk A.， Song H. J.， Ku J.， Choi J. W.， Choi J. M.， Doo S. G.， Chang H.， Nat. Commun.， 2015， 6， 7393
43	Liu N.， Lu Z.， Zhao J.， Mcdowell M. T.， Lee H. W.， Zhao W.， Cui Y.， Nat. Nanotech.， 2014， 9， 187—192
44	Shang H.， Zuo Z.， Yu L.， Wang F.， He F.， Li Y.， Adv. Mater.， 2018， 30， 1801459
45	Li L.， Zuo Z.， Shang H.， Wang F.， Li Y.， Nano Energy， 2018， 53， 135—143
46	Tabassum H.， Zou R.， Mahmood A.， Liang Z.， Wang Q.， Zhang H.， Gao S.， Qu C.， Guo W.， Guo S.， Adv. Mater.， 2018， 30， 1705441
47	Reddy M. V.， Subba Rao G. V.， Chowdari B. V.， Chem. Rev.， 2013， 113， 5364—5457
48	Peng L.， Xiong P.， Ma L.， Yuan Y.， Zhu Y.， Chen D.， Luo X.， Lu J.， Amine K.， Yu G.， Nat. Commun.， 2017， 8， 15139
49	Wang F.， Zuo Z.， Li L.， He F.， Lu F.， Li Y.， Adv. Mater.， 2019， 31， 1806272
50	Xiao X.， Liu X.， Wang L.， Zhao H.， Hu Z.， He X.， Li Y.， Nano Research， 2012， 5， 395—401
51	van der Ven M. K. A.， Ceder G.， Phys. Rev. B， 1998， 58， 2975—2987
52	Zhang J. N.， Li Q.， Ouyang C.， Yu X.， Ge M.， Huang X.， Hu E.， Ma C.， Li S.， Xiao R.， Yang W.， Chu Y.， Liu Y.， Yu H.， Yang X. Q.， Huang X.， Chen L.， Li H.， Nat. Energy， 2019， 4， 594—603
53	Gong S.， Wang S.， Liu J.， Guo Y.， Wang Q.， J. Mater. Chem. A， 2018， 6， 12630—12636
54	Jaffe S.， Joule， 2017， 1， 225—228
55	Wang C.， Xu Y.， Fang Y.， Zhou M.， Liang L.， Singh S.， Zhao H.， Schober A.， Lei Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137， 3124—3130
56	Rodríguez⁃Pérez I. A.， Yuan Y.， Bommier C.， Wang X.， Ma L.， Leonard D. P.， Lerner M. M.， Carter R. G.， Wu T.， Greaney P. A.， Lu J.， Ji X.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 13031—13037
57	Choi W.， Harada D.， Oyaizu K.， Nishide H.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133， 19839—19843
58	Peng C.， Ning G. H.， Su J.， Zhong G.， Tang W.， Tian B.， Su C.， Yu D.， Zu L.， Yang J.， Ng M. F.， Hu Y. S.， Yang Y.， Armand M.， Loh K. P.， Nat. Energy， 2017， 2， 17074
59	Fan L.， Ma R.， Wang J.， Yang H.， Lu B.， Adv. Mater.， 2018， e1805486
60	Lu Y.， Chen J.， Nat. Rev. Chem.， 2020， 4， 127—142
61	Muench S.， Wild A.， Friebe C.， Haupler B.， Janoschka T.， Schubert U. S.， Chem. Rev.， 2016， 116， 9438—9484
62	Hu P.， He X.， Ng M. F.， Ye J.， Zhao C.， Wang S.， Tan K.， Chaturvedi A.， Jiang H.， Kloc C.， Hu W.， Long Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 13513—13521
63	Jiang Q.， Xiong P.， Liu J.， Xie Z.， Wang Q.， Yang X. Q.， Hu E.， Cao Y.， Sun J.， Xu Y.， Chen L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 5273—5277
64	Luo C.， Ji X.， Chen J.， Gaskell K. J.， He X.， Liang Y.， Jiang J.， Wang C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57， 8567—8571
65	Tang M.， Zhu S.， Liu Z.， Jiang C.， Wu Y.， Li H.， Wang B.， Wang E.， Ma J.， Wang C.， Chem.， 2018， 4， 2600—2614
66	Li L.， Zuo Z.， Wang F.， Gao J.， Cao A.， He F.， Li Y.， Adv. Mater.， 2020， 32， 2000140
67	Yu X.， Manthiram A.， Acc. Chem. Res.， 2017， 50， 2653—2660
68	Zhang J.， Yang C. P.， Yin Y. X.， Wan L. J.， Guo Y. G.， Adv. Mater.， 2016， 28， 9539—9544
69	Li J.， Li S.， Liu Q.， Yin C.， Tong L.， Chen C.， Zhang J.， Small， 2019， 15， 1805344
70	Evers S.， Nazar L. F.， Acc. Chem. Res.， 2013， 46， 1135—1143
71	Manthiram A.， Fu Y.， Su Y. S.， Acc. Chem. Res.， 2013， 46， 1125—1134
72	Jiang S.， Lu Y.， Lu Y.， Han M.， Li H.， Tao Z.， Niu Z.， Chen J.， Chem. Asian J.， 2018， 13， 1379—1385
73	Yu X.， Joseph J.， Manthiram A.， J. Mater. Chem. A， 2015， 3， 15683—15691
74	Zhang S. S.， J. Electrochem. Soc.， 2012， 159， A1226—A1229
75	Wang F.， Zuo Z.， Li L.， He F.， Li Y.， Nano Energy， 2020， 68， 104307
76	Liu Y.， Zhou G.， Liu K.， Cui Y.， Acc. Chem. Res.， 2017， 50， 2895—2905
77	Cheng X. B.， Zhang R.， Zhao C. Z.， Zhang Q.， Chem. Rev.， 2017， 117， 10403—10473
78	Kim H.， Boysen D. A.， Newhouse J. M.， Spatocco B. L.， Chung B.， Burke P. J.， Bradwell D. J.， Jiang K.， Tomaszowska A. A.， Wang K.， Wei W.， Ortiz L. A.， Barriga S. A.， Poizeau S. M.， Sadoway D. R.， Chem. Rev.， 2013， 113， 2075—2099
79	Sun Y.， Liu N.， Cui Y.， Nat. Energy， 2016， 1， 16071
80	Liu Y.， Liu Q.， Xin L.， Liu Y.， Yang F.， Stach E. A.， Xie J.， Nat. Energy， 2017， 2， 17083
81	Bouchet R.， Maria S.， Meziane R.， Aboulaich A.， Lienafa L.， Bonnet J. P.， Phan T. N. T.， Bertin D.， Gigmes D.， Devaux D.， Denoyel R.， Armand M.， Nat. Mater.， 2013， 12， 452
82	Yamada Y.， Wang J.， Ko S.， Watanabe E.， Yamada A.， Nat. Energy， 2019， 4， 269—280
83	Zheng J.， Engelhard M. H.， Mei D.， Jiao S.， Polzin B. J.， Zhang J. G.， Xu W.， Nat. Energy， 2017， 114， 4613—4618
84	Wu X.， Hong J. J.， Shin W.， Ma L.， Liu T.， Bi X.， Yuan Y.， Qi Y.， Surta T. W.， Huang W.， Neuefeind J.， Wu T.， Greaney P. A.， Lu J.， Ji X.， Nat. Energy， 2019， 4， 123—130
85	Liang Z.， Lin D.， Zhao J.， Lu Z.， Liu Y.， Liu C.， Lu Y.， Wang H.， Yan K.， Tao X.， Cui Y.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2016， 113， 2862—2867
86	Lin D.， Zhao J.， Sun J.， Yao H.， Liu Y.， Yan K.， Cui Y.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2017， 114， 4613—4618
87	Shang H.， Zuo Z.， Dong X.， Wang F.， Lu F.， Zheng H.， Li K.， Li Y.， Mater. Today Energy， 2018， 10， 191—199
88	Shang H.， Zuo Z.， Li Y.， ACS Appl. Mater. Interf.， 2019， 11， 17678—17685
89	Jiang T.， Chen K.， Wang J.， Hu Z.， Wang G.， Chen X. D.， Sun P.， Zhang Q.， Yan C.， Zhang L.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 27535—27546
90	Zhao Z.， Fan X.， Ding J.， Hu W.， Zhong C.， Lu J.， ACS Energy Lett.， 2019， 4， 2259—2270
91	Yang Q.， Guo Y.， Yan B.， Wang C.， Liu Z.， Huang Z.， Wang Y.， Li Y.， Li H.， Song L.， Fan J.， Zhi C.， Adv. Mater.， 2020， 32， 2001755

[1]	贾洋刚, 邵霞, 程婕, 王朋朋, 冒爱琴. 赝电容控制型钙钛矿高熵氧化物La(Co_0.2Cr_0.2Fe_0.2Mn_0.2Ni_0.2)O₃负极材料的制备及储锂性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220157.
[2]	黄汉浩, 卢湫阳, 孙明子, 黄勃龙. 石墨炔原子催化剂的崭新道路:基于自验证机器学习方法的筛选策略[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220042.
[3]	陈朝阳, 薛玉瑞, 李玉良. 石墨炔零价金属原子催化剂的合成及应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220063.
[4]	鲍俊全, 郑仕兵, 苑旭明, 史金强, 孙田将, 梁静. 有机盐PTO(KPD)₂作为高性能锂离子电池正极材料的研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2911.
[5]	李辉阳, 朱思颖, 李莎, 张桥保, 赵金保, 张力. 锂离子电池硅氧化物负极首次库伦效率的影响因素与提升策略[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2342.
[6]	卓增庆, 潘锋. 基于软X射线光谱的锂电池材料的电子结构与演变的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2332.
[7]	吴卓彦, 李至, 赵旭东, 王倩, 陈顺鹏, 常兴华, 刘志亮. 一步法高效制备纳米Si/C复合材料及其在高性能锂离子电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2500.
[8]	易聪华, 苏华坚, 钱勇, 李琼, 杨东杰. 木质素纳米炭的制备及作为锂离子电池负极的性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1807.
[9]	王弈艨, 刘凯, 王保国. 高镍三元正极材料的表面包覆策略[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1514.
[10]	石颖, 胡广剑, 吴敏杰, 李峰. 低温等离子体在锂离子电池材料中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1315.
[11]	高娟, 孙全虎, 黄长水. 石墨炔纳米材料的制备及在电化学能源中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1501.
[12]	毛尔洋, 王莉, 孙永明. 锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1552.
[13]	刘铁峰, 张奔, 盛欧微, 佴建威, 王垚, 刘育京, 陶新永. 硅负极黏结剂的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1446.
[14]	邹俊彦, 张焱焱, 陈石, 邵怀宇, 汤育欣. 全固态锂金属电池表界面化学的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1005.
[15]	王任衡, 肖哲, 李艳, 孙一翎, 范姝婷, 郑俊超, 钱正芳, 贺振江. 固相烧结法制备锂离子电池正极材料Li₂FeP₂O₇及其电化学性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1299.