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由MOF热剥离成的超亲水石墨烯堆在Li-S电池中的应用

由MOF热剥离成的超亲水石墨烯堆在Li-S电池中的应用

具有可控孔结构和亲水表面的2D纳米碳基材料在电化学储能体系中(例如:锂硫电池)显示出巨大的潜力。2D石墨烯/氧化石墨烯等纳米碳在电化学储能、气体吸附和分离以及催化几种技术中作为活性材料具有很大的潜力,因为2D纳米碳化物的高纵横比赋予了它们特殊的物理化学特征。以现在的技术,二维纳米碳材料的孔结构可以很好地调节,但是调整孔隙表面为超极性/亲水性还需要进一步的努力。鉴于此,清华大学和德国德累斯顿工业大学等多个研究单位共同报道了一种具有固有2D结构的金属-有机骨架晶体热剥离成多层石墨烯堆叠。很好的解决了孔隙率和亲水性问题。

由MOF热剥离成的超亲水石墨烯堆在Li-S电池中的应用

图1.二维MOF前体的表征。a)实验粉末XRD图案和模拟图案,b)分层MOF晶体及其构建单元的结构,c-e)具有π-π堆叠2D单元的MOF晶体的SEM图像

由MOF热剥离成的超亲水石墨烯堆在Li-S电池中的应用

图2. UHCS材料的孔结构和表面极性表征。a)氮吸附等温线,与石墨烯的等温线相比。b)以亲水性沸石(13X)、活性炭Norit、中孔碳CMK-3和CNT的等温线为基准的水蒸汽吸附等温线。c)动态接触角测量

注:UHCS:超亲水性碳堆

 

通过π-π相互作用(类似于石墨)结合且具有长距离有序2D聚合物构建单元的MOF晶体,作者证明这种材料实际上可以热剥离成多层石墨烯堆叠。这种纳米碳叠层系列由保存良好的2D片材组成,具有大量的中间层大孔,狭窄分布的7Å微孔和极性孔壁。表面极性由P/P0 = 0.4的低相对压力下14.3 mmol/g的超高水蒸气吸收量和10.0s内超快水润湿能力定量。基于结构优点,该系列亲水性多层石墨烯堆叠也具有极好的电化学性能。极性UHCS在1.0C和0.5C循环期间的库仑效率非常稳定,并且在1C下循环100周后容量保持率为99.8%,没有明显的下降。

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图4.极性UHCS样品和非极性CNT的电化学性能。a)UHCS作为主体材料的适用性示意图。b)可视化吸附。c)EIS测量图。d)亲水碳堆的CV图。e)恒电流充放电效果图。f)1.0C的循环性能和库仑效率

 

作者对具有固有2D结构的块状结晶聚合物的热剥离是制备超极性纳米碳片的有效策略,也为探索其他二维前体材料如纳米碳合成中的二维聚合物晶体提供了方法。

 

Guang-Ping Hao, Cheng Tang, En Zhang, PeiyanZhai, Jun Yin, Wancheng Zhu, Qiang Zhang, Stefan Kaskel; Thermal Exfoliation of Layered Metal–Organic Frameworks into Ultrahydrophilic Graphene Stacks and Their Applications in Li–S Batteries; DOI: 10.1002/adma.201702829


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