南京工大林宗琼研究员与新加坡南洋理工大学张其春教授在富氮-类石墨烯 多孔共轭聚合物与锂离子存储的方面取得研究成果

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由于极高的电化学活性、表面离子亲和力和离子传输速率，富含杂原子的微孔石墨烯是一类稳定高效的电化学电极材料，并有望实现可逆的高密度锂离子存储。目前报道的制备介孔和大孔掺杂石墨烯主要为选择性化学刻蚀等自上而下的方法。如何自下而上的溶液合成微孔石墨烯，实现其化学组成精确且孔隙均一可控仍然是一个重大挑战。另一方面，块状结晶的共价有机框架（COF）引起了人们的重视，然而大部分非共轭型COF的半导体性质差且难以加工，限制了其在能源存储领域的发展。因此，亟需设计一种具有精确石墨烯子结构的二维微孔聚合物，并赋予其优异的半导体性质和低廉的制备成本。

受到多孔石墨烯在锂离子存储中独特边缘效应的启发，有理由认为在纳米量级上开放的π-共轭系统中，大量暴露的芳香环边缘能为锂离子存储提供丰富的电化学活性位点。尤其是近期的研究中，有人提出了Li6/C6的全新机理用于解释有机/聚合物活性电极的超高锂离子存储能力。因此，设计一种具有明确结构和开放性微孔骨架的富氮-类石墨烯共轭聚合物（NG-HCP）及其自支撑纳米片将提供多样的活性位点并实现高效的电化学插锂和脱锂过程。

IAM林宗琼研究员与新加坡南洋理工大学张其春教授课题组合作，设计并自下而上的合成了一种可自支撑的单层富氮-类石墨烯-多孔共轭聚合物（NG-HCP）。在溶液中将四氨基苯（TAB）与环己六酮（HKH）进行简单的脱水缩聚，即可合成具有吡嗪和苯环交替的NG-HCP多孔共轭结构。经系统表征，所制备NG-HCP的N/C比高达0.37，结晶度较高，热稳定性好，带隙窄（约1.25 eV），导电率高达3.55 ± 0.4 × 10-2 S cm-1。该材料还具有均一的蜂窝状六边形微孔，孔径~11.65 埃，BET比表面积为72.56 m2 g-1，体积孔隙率为0.255 cm3 g-1。NG-HCP纳米片单层的厚度仅为1.0 ± 0.2 nm，同氧化石墨烯（约1.3 nm）和其他二维聚合物骨架相当。拉曼光谱显示其具有石墨烯子结构并由于氮掺杂导致了电声子结构的变化。高分辨透射电镜（HR-TEM）揭示了其有序的结晶区域，C、N和O元素在其中均匀分布，支持了其石墨烯子结构形成的精确蜂窝状孔洞。晶格分析表明两层NG-COF之间是以典型的AB方式堆积。

论文链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517305141

来源：南京工业大学

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