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云顶集团郭洪教授团队在国际TOP期刊ACS Energy Lett发表COFs储能材料突破性进展

2020-03-08  点击:[]

近日,材料科学与工程学院(云南省微纳材料与技术重点实验室)郭洪教授团队与加拿大两院院士Western Univ. 孙学良教授团队联合攻关,以云顶集团为第一通讯单位,在国际著名期刊ACS Energy Lett. (即时IF=19.78)发表新能源材料最新突破性进展Dual-Active-Site of Azo and Carbonyl Modified Covalent Organic Framework for High-Performance Li Storage ACS Energy Lett. 2020, https://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00069)。博士研究生赵根福和硕士研究生张羽豪为论文共同第一编辑,该论文成果得到973计划、国家自然科学基金面上项目、云南省科技厅-云顶集团联合重点基金、省先进能源材料国际联合研究中心、省高校全固态离子电池重点实验室项目及云顶集团杰出青年计划的支撑。

作为一种高性能的能量存储装置,锂离子电池已广泛应用于各类移动电源和其他可再生清洁能源载体上。开发高性能、可持续的绿色电极材料对锂离子电池的发展至关重要。与传统的无机化合物相比,共价有机框架(COF)是一类组分、结构可设计,强稳定性的多孔晶态框架材料,因其功能性有机单元的框架结构展现出开放的离子和电子传输通道,从而在近年来出现在电化学储存的舞台上。作为一种理想的锂储存电极材料,COF仍存在许多亟待解决的问题,如结构强的π-π相互作用导致了低的氧化还原位点利用率,直接影响了其可逆储能容量。因此,如何精确设计COF分子结构,实现对材料结构层间或内部活性储锂位点的充分激发与利用,将对COF类材料在储能领域的应用开辟新的思路。

基于以上研究现状和面临的问题,郭洪教授课题组首次提出了C=ON=N双重有效氧化还原位点修饰的共价有机框架(Tp-Azo-COF),并成功应用于锂离子电池负极材料中。课题组在前期研究基础上(Hong Guo*, et. al, Appl. Catal. B:Environ., 2019, 243; Hong Guo*, et. al, Adv. Funct. Mater. 2018, 1707480; Hong Guo*, et. al, Nano Energy 2018, 51Hong Guo*, et. al, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10,通过分子层面的设计构建了独特的类花状二维共轭共价有机框架,具有较高的电化学动力学和结构稳定性。实验结果表明,C=ON=N双活性位的引入,显著增强了COF用作锂离子电池负极的电化学活性和容量。

Tp-Azo-COF材料作为锂离子电池负极时,在1000 mA g-1的电流密度下,3000次循环后保持305.97 mAh g-1的高容量,库仑效率接近100%,这表明Tp-Azo-COF负极材料显示出显著的超稳定性和足够的反应位点。就容量输出、循环稳定性和倍率性能而言,Tp-Azo-COF材料的电化学性能优于LIB中其他最新报道的有机化合物。

该工作通过简单的合成方法,首次构筑了具有C=ON=N双重有效活性位点的Tp-Azo-COF锂离子电池负极材料。Tp-Azo-COF丰富的C=ON=N氧化还原位点、大的共轭结构、高的比表面积和多孔结构,有利于高容量的保持和快速的Li储存。同时,偶氮和羰基单元在增强Tp-Azo-COF结构稳定性方面也起着重要作用,从而使其成为用于锂存储的可靠且可生产的负极材料。这项工作为开发低成本,持久循环稳定性和可逆性的可充电电池的先进有机电极材料提供了一种新思路。

材料科学与工程学院 供稿

(编辑:李哲)


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