华中科技大学王成亮教授课题组:有序化COFs构筑通用离子筛

原创
人物与科研 2018-10-22 08:38 91人阅读


导语

由于快速发展的能源需求和相关材料资源的有限性,锂离子电池的替代品受到了广泛关注和研究。基于不同的应用领域,锂硫电池、有机锂离子(钠离子)电池、液流电池等替代品应运而生。然而,这些新兴电池可能面临着电极材料溶解和在正负极间扩散造成性能衰减的问题。近日,华中科技大学王成亮教授课题组结合前期研究工作,实现了不溶性共价有机骨架结构的有序化排列,并将其作为离子筛应用于锂硫电池和有机钠离子电池,有效抑制了活性材料的扩散,从而实现了电池性能的大幅提升(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201809907)。


华中科技大学王成亮教授课题组:有序化COFs构筑通用离子筛

王成亮教授

 

前沿科研成果:有序化COFs构筑通用离子筛


前期,王成亮教授课题组将有机电子学中获得pin-hole free介电层薄膜的概念引入到有机电池领域,并利用聚合物获得了一种离子选择性渗透膜。该渗透膜有效抑制了电极材料在正负极间的扩散。将该渗透膜组装在电池后,电池的循环使用寿命大幅提高(Adv. Mater. 2016, 28, 9182)。

 

对于这样的渗透膜,具有有序、可控纳米孔的层状共价有机骨架结构COFs似乎是一种更好的选择。但是, COFs通常不会溶解,很难制备有序的、致密的薄膜,使纳米孔有序排列一方面实现了离子的穿梭、但另一方面又会阻挡活性电极材料的通过。早期,研究者提出共轭COFsπ–π作用可以使材料在高压下有序排列。基于此,王成亮教授等人认为石墨烯的π–π作用可能也可应用于诱导COFs的有序排列。为此,他们通过简单过滤,直接将COFs的分散液抽滤到预先获得的石墨烯薄膜上,实现了COFs的有序排列,进而成功制备出双层COF-rGO薄膜。形貌分析、粉末XRD和掠入射XRD结果都表明:COFs片状颗粒几乎全部采用“face-on”的模式沉积在石墨烯上(图一)。


华中科技大学王成亮教授课题组:有序化COFs构筑通用离子筛

图一、直接抽滤获得的无序COFs粉末与在石墨烯上抽滤获得的有序排列COFs薄膜

(来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

接着,作者将双层COF-rGO薄膜作为离子筛应用于锂硫电池中。活性材料多硫化锂的穿梭效应是锂硫电池的一大关键问题,会造成锂硫电池性能的大幅衰减。将该双层薄膜添加到锂硫电池之后,多硫化锂的穿梭效应被有效抑制(图二),锂硫电池的性能得到了大幅改善(图三)。此外,经过充放电过程之后,该薄膜仍然能保持形貌和结构的稳定性。

 

进一步,作者将双层COF-rGO薄膜作为离子筛应用于有机钠离子电池中。有机材料在电解液中的溶解也是有机电池面临的一个关键问题。同时,考虑到钠离子的尺寸比锂离子大,钠离子是否能有效通过该双层薄膜是其能否成为普适性离子筛的关键。王成亮教授等人发现添加该双层薄膜后,有机钠离子电池的性能也可以得到大幅提升,远好于课题组前期获得的聚合物选择性渗透膜。

 

华中科技大学王成亮教授课题组:有序化COFs构筑通用离子筛

图二、通用离子筛对于多硫化锂穿梭的抑制效应

(来源:Angew. Chem. Int. Ed.


华中科技大学王成亮教授课题组:有序化COFs构筑通用离子筛

图三、通用离子筛对于锂硫电池性能的改善效果

(来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

总结:课题组开发了一种实现共价有机骨架结构有序排列的新方法。该法获得的大面积自支撑有序薄膜作为通用离子筛可以应用于锂硫电池和有机钠离子电池中,从而有效地抑制活性材料溶解造成的穿梭效应,大幅提高了电池性能。

 

该工作发表在近期的《德国应用化学》上(DOI: 10.1002/anie.201809907)。博士生姜澄是该文的第一作者,王成亮教授为通讯作者,该工作得到了天津大学胡文平教授(共同通讯)的指导和大力帮助。


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