暨南大學在高性能鋰硫電池研究取得重要進

fans news 發佈 2021-11-26T11:30:11+00:00

近日,暨南大學化學與材料學院,超分子配位化學研究所寧國宏教授、李丹教授團隊與英國利物浦大學的A. I. Cooper教授合作在美國化學會旗艦期刊《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 46, 19446–19453,影響因子15.

近日,暨南大學化學與材料學院,超分子配位化學研究所寧國宏教授、李丹教授團隊與英國利物浦大學的A. I. Cooper教授合作在美國化學會旗艦期刊《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 46, 19446–19453,影響因子15.419)上發表了題為「Scalable Synthesis of Ultrathin Polyimide Covalent Organic Framework Nanosheets for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries」 的重要研究成果。

(JACS封面圖)

鋰硫電池因其高理論容量、低成本和環境友好性而受到越來越多的關注,被認為是最有前景的下一代儲能體系之一。然而,多硫化鋰中間體的溶解和穿梭效應,循環過程中體積膨脹效應嚴重限制了其商業化的應用。共價有機框架(COF)是一類結構規整的晶態多孔材料,擁有多樣的有機砌塊,豐富的表面官能團,有序的孔道結構以及優異的穩定性,近年來被發展成為一種新型的鋰硫電池載體材料。二維塊體COF結構中通常由於有較強的π-π相互作用而層層堆疊,導致活性位點被深度包埋使得離子擴散難以觸及,另外,一些缺陷與顆粒間的邊界限制了電子和離子的傳輸,嚴重影響了其性能。COF納米片具有均一的物理化學性質和電子性質,能最小化離子傳輸路徑,比體相COFs展現出更高的活性位點利用率和更快的電荷傳輸動力學,可能是解決上述問題的有效策略。

(PI-CONs及PI-CONs/S的合成示意圖)

研究團隊通過改進之前氫鍵誘導組裝聚合法的合成條件 (Haiyan Duan, Pengbo Lyu, Jingjing Liu, Yanli Zhao, and Yuxi Xu*, Semiconducting Crystalline Two-Dimensional Polyimide Nanosheets with Superior Sodium Storage Properties. ACS Nano, 2019, 13 (2), 2473–2480),大批量製備出可液相超聲剝離的層狀高結晶聚醯亞胺共價有機框架(PI-COF),並成功將PI-COF及剝離的微米級超薄二維聚醯亞胺納米片(PI-CONs)作為載體材料應用於高性能鋰硫電池(圖2)。不同於以往通過溶劑熱法或熱回流法的策略製備PI-COF,這種氫鍵誘導的聚合法製備得到的PI-COF具有高的結晶性和明晰的類石墨層狀結構,從而能夠通過自上而下法高效剝離得到橫向尺寸約為6微米、厚度約為1.2nm的超薄二維COF納米片。

上述具有二維共軛多孔結構的PI-COF和PI-CONs含有豐富的羰基活性位點,能夠與中間體多硫化物產生較強的相互作用,從而成功將可溶性多硫化物限制在正極材料區域內,實現鋰硫電池性能的有效提升。研究人員通過理論計算研究證實了上述羰基與多硫化物的強相互作用,並通過一系列電化學實驗測試了其性能。結果表明PI-COF和PI-CONs均具有很高的可逆容量和出色的倍率性能,並且表現出穩定的循環性能,上述優異的鋰硫電池性能超越了絕大部分已報導的有機及聚合物鋰硫電池載體材料。

利物浦大學Andrew I. Cooper 教授是暨南大學榮譽教授(2018年),英國皇家科學院院士。1991年 畢業於英國諾丁漢大學,並於1994年在該校獲得博士學位。先後在北卡羅萊那大學和劍橋大學從事博士後研究。1999年以英國皇家科學院「大學研究特聘學者」加盟利物浦大學化學系。2018年擔任Chemical Science主編。Andy Cooper教授迄今為止在包括Nature及Nature系列雜誌,Science,Angewandte Chem.,JACS,Advanced Materials等國際頂尖雜誌發表文章 300多篇。研究興趣包括:多孔有機籠、有機共聚微孔聚合物、新型功能化的聚合物的開發研究,材料催化,聚合物催化光分解水等。

本文被選為本期的JACS封面論文,段海燕博士和李科博士為論文的共同第一作者,寧國宏教授、李丹教授和A. I. Cooper教授為論文的通訊作者,暨南大學為第一通訊單位。該論文得到了國家自然科學基金、國家自然科學基金重點項目、廣東省重大基礎與應用基礎計劃、廣東省自然科學傑出青年基金、廣東省青年珠江學者項目、中國博士後科學基金、廣東省國際合作項目和暨南大學等的大力支持。

來源:暨南大學

論文連結:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08675

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