- A+
研究背景
金属锂电池储能是当今开发清洁能源和实现国家智能电网的核心技术，也是近年来国家能源结构优化战略布局的关键支撑和国际关注研究的热点。考虑到氮掺杂碳基复合材料的重要优势，尤其在于其较多的碳原子轨道杂化类型、多氮活性位点、和丰富的微/纳米孔状结构，发现它们在发展高储能密度的碱金属离子电极材料方面显示出巨大的潜力。其中，二维孔状碳氮材料因其结构周期性多孔分布，可提供多离子吸附活性位点和离子存储空间，尤其展现出卓越的高储能密度潜力，成为近年来研究与发展高储能金属离子电极材料的理想材料之一。
▲ | 图 1.(a)基于群智算法和密度泛函理论计算开展二维孔状结构搜索流程图；(b)采用占位虚原子技术产生孔状二维结构示意图；(c)对碳体系开展孔状设计搜索的测试结果。 |
▲ | 图 2.(a) 有机框架结构数据库中不同有机结构单元示例，（b-j）基于学习多种有机框架结构单元所构建的二维多孔碳氮框架构型示例。 |
论文详情
近期，西南交通大学物理科学与技术学院陈元正课题研究团队与新加坡南洋理工大学 Simon A. T. Redfern 教授、美国波多黎各大学陈中方教授等人开展合作，在探索设计高储能密度锂离子电池电极材料的理论研究取得了突破性进展，研究成果以“Novel 2D porous C3N2 framework as promising anode material with ultra-high specific capacity for lithium-ion batteries”为题，于 2022 年 2 月 4 日发表在国际著名期刊 J. Mater. Chem. A. 上，并被编辑遴选为“Hot Paper”研究工作。
该工作发展并利用了基于群智算法的二维多孔结构搜索技术（图 1）和基于有机框架结构构型的结构设计方法（图 2），针对二元碳氮体系，在二维空间系统搜索设计了一些列新型二维孔状候选结构。在热力学和动力学稳定的框架下，构建了二维空间碳氮体系稳定化学配比形成能图，揭示了不同化学配比稳定结构构型特征及其随化学元素含量从无孔到多孔的演变规律。结合多种第一性原理计算方法，针对候选结构中能量稳定的新型多孔 a-C3N2 框架结构进行了系统电极物性研究（图 3），分析报道了它作为金属锂离子电池阳极材料具备超高锂离子比容量（~2791 mA h g−1）（图 4）。同时，揭示了其储能机制和实验制备的可行方案。结合相关定性与定量分析，归纳总结出增加多孔骨架中吡啶 -N 位点是设计多孔碳氮高储能结构的一个关键，该特性具有一定普适性，为进一步探索设计高储能电极材料提供了结构设计准则。
▲ | 图 3.(a)设计构建的 a-C3N2 框架结构图，(b) 构成 a-C3N2 结构框架的有机结构单元，（c）a-C3N2 结构孔状单元电子局域函数，（d）a-C3N2 结构吸附锂原子的活性位点。 |
▲ | 图 4.(a)提出的 a-C3N2 作为锂电池阳极材料储能设备模型，(b) 在 a-C3N2 结构框架中不同路径下锂离子迁移势垒，（c）a-C3N2 结构锂离子储能最大比容量与石墨、石墨烯及碳基材料等对应值比较柱状图，（d）a-C3N2 结构随吸附锂原子数增加对应的吸附能和开路电压曲线图。 |
该研究成果第一完成单位为西南交通大学物理科学与技术学院，陈元正课题团队 2020级博士研究生蔡信勇和曲阜师范大学易文采博士为共同第一作者，Simon A. T. Redfern 教授、陈中方教授和陈元正副教授为本文共同通讯作者，该研究是在发展高储能电池领域取得的阶段性科研成果。该工作得到国家自然科学基金(12164009, 21905159, 21873017)、博士后科学基金（2021M690325）和四川省科技厅基金（2021YFG0228）等支持。近年来，陈元正课题组在基于群智算法基础之上深化拓展物理学与材料化学等交叉学科融合研究，在新能源材料与储能设备等领域取得了多项科研成果，该研究是在发展高储能电池领域取得的阶段性科研成果。
论文信息
Novel 2D porous C3N2 framework as promising anode material with ultra-high specific capacity for lithium-ion batteries
Xinyong Cai, Wencai Yi, Jiao Chen, Linguo Lu, Bai Sun, Yuxiang Ni, Simon A. T. Redfern* (南洋理工大学), Hongyan Wang, Zhongfang Chen* (陈中方，波多黎各大学), Yuanzheng Chen* (陈元正，西南交通大学)
J. Mater. Chem. A, 2022
http://doi.org/10.1039/D1TA10877H
新加坡南洋理工大学通讯作者
2019 年之前为英国剑桥大学地球科学系主任，现任为新加坡南洋理工大学理学院院长和地球科学部首席教授，主要研究方向为地球内部物质结构与物理化学性质，发表 SCI 论文近 150 篇，论文被引用 15000 余次,H 因子 63。
美国波多黎各大学
先后任职于美国乔治亚大学和伦斯勒理工学院，现任为美国波多黎各大学化学系教授，主要从事计算化学和计算纳米材料科学研究，着重致力于石墨烯和其他二维材料等在环境能源领域理论研究，发表 SCI 论文近 300 篇，论文被引用 28000 余次,H 因子 85。
西南交通大学
2014 年进入西南交通大学工作，先后在美国加州州立大学-北京计算科学研究中心与新加坡国立大学开展博后或学术访问研究。主要从事新型功能材料(如光电能源材料、电池电极材料等)结构设计及其器件应用研究工作，发表 SCI 论文 60 余篇，论文被引用 1500 余次, h-index=22, i10-index=60。
目前评论：