Dynamische hiërarchische zelfassemblerende kleine molecuulstructuur Hexabenzocoroneen voor de hoogwaardige anodes Lithium-ionopslag

Resultaten en discussie

Hexabenzocoroneen is koolstof-koolstof materiaal gecombineerd met significante π–π geconjugeerde chemische binding. Een procedure voor de bereiding van hexabenzocoroneen bestond uit een reeks reacties, zoals Sonogashira, Diels-Alder-reactie, op Lewis-katalysator gebaseerde cyclusreactie en deprotonering onder basische omstandigheden om tussenproducten met onbevredigende opbrengsten te geven [36,37,38]. De doelverbindingen worden gegenereerd uit tussenproducten en nitromethaan met de behandeling van een Lewis-reagens gaf de doelverbindingen in een vergelijkbare lage opbrengst [39, 40]. De reactieoplossing werd geblust met methanol, gevolgd door herhaaldelijk oplossen en neerslaan met methyleenchloride/methanol. De verzamelde ruwe verbindingen werden gewassen met methanol/aceton (1:1) om een ​​gelige vaste stof te geven (zie aanvullend bestand 1) [41, 42].

HBC is op grote schaal gebruikt, maar bij de studie van zelf-geassembleerde systemen moet het verder worden begrepen. Hoewel in de gerapporteerde literatuur studies van dezelfde of vergelijkbare anodematerialen zijn genoemd, is de HBC-studie nog steeds onvoldoende. Daarom ligt de focus van het werk op het gedetailleerde onderzoek van het zelfassemblagesysteem, en het één voor één opzetten om de interne dynamische distributie van aggregatie en de inductie te begrijpen en om de aanvulling van het gebrek aan inhoudanodematerialen te verbeteren.

Het nano-grafeen met kleine moleculen assembleerde zichzelf dynamisch om regelmatige dunne vellen te vormen, die opeenvolgend en systematisch werden gestapeld om intermitterende nano-grafeenfragmenten te vormen die stevig aan elkaar werden vastgehouden [43]. Aan de andere kant werd de dynamische, zelf-geassembleerde aggregaatstructuur op het onderwerp gelegd om onder spanning te herschikken/veranderen, waardoor een ongelijkmatige tandwielvorm werd gevormd [44, 45]. Vanwege de grootte van het nano-grafeen zelf was er geen duidelijke uitstulping in de algehele structuur. Zoals te zien is in de afbeelding, was de hele nano-aggregatie regelmatig, zoals de vorm van een vingerafdruk (Fig. 2).

Nano-grafeen dynamische hiërarchische assemblage om te herschikken en te veranderen

Om de bovengenoemde herschikking/verandering veroorzaakt door zijn eigen gewicht te verklaren en of het de materiaaleigenschappen zal beïnvloeden, werd scanning elektronenmicroscopie (SEM) uitgevoerd om te bepalen of de deeltjesgrootte was veranderd. Zoals weergegeven in figuur 3, zijn de nanodeeltjes verzameld en werd hun deeltjesgrootte niet beïnvloed door de herschikking / verandering. Het SEM-beeld laat duidelijk zien dat nano-grafeen uniform werd verdeeld als nanodeeltjes. Bovendien werden madeliefachtige clusters met een bereik van 200, 50 en 20 nm waargenomen. Hun einddelen waren met een zekere regelmaat naar buiten uitgerekt, die als een bloemenpatroon dicht geconcentreerd is. Daarom kan het zelfassemblageproces van nano-grafeenvellen op twee manieren worden uitgevoerd. Ten eerste worden de nano-grafeenmoleculen zelf geassembleerd door de randen te overlappen. Ten tweede overlappen nano-grafeenmoleculen elkaar, wat de zelfassemblage van moleculen mogelijk maakt.

SEM- en TEM-beelden voor hexabenzocoroneen

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) toonde aan dat het hexabenzocoroneenmolecuul structurele kenmerken vertoont met een coherente laagafstand en een moleculaire laagafstand van 0,34 nm. TEM met hoge resolutie (HRTEM) gaf aan dat nanodeeltjes aan elkaar binden (Fig. 4) [46, 47]. De concentrische diffractieringen in het geselecteerde gebiedselektronendiffractiepatroon (SAED) bevestigen de polykristallijne aard van hexabenzocoroneen. Verder laat het HRTEM-beeld zien dat de meeste grafeenachtige wanden uit een paar lagen bestonden (≈ 14 lagen), wat wijst op typisch ultradunne structuren [48,49,50,51]. De laag-voor-laag structuren van het hexabenzocoroneen en de perfecte d -afstand tussen de lagen benadrukken de prestaties van LIB-anodematerialen.

HRTEM-beeld van hexabenzocoroneen met hun dynamische hiërarchische verzamelingen

De spanningsprofielen van hexabenzocoroneen en de prestatie werden gemeten met behulp van een fietstest. Figuur 5 toont de capaciteit van de elektrode bij verschillende stroomdichtheden en de bijbehorende spanningsprofielen. De capaciteit bij 100 cycli is 200 mAh/g en er werd een goede omkeerbaarheid waargenomen met een coulombefficiëntie van meer dan 98%.

De galvanostatische ontlading-laadspanningsprofielen van de hexabenzocoroneenanode als functie van het aantal cyclussen

Cyclusspanning (CV) werd uitgevoerd bij het hoge potentieel van de lithium-ionbatterijen om de stabiliteit op lange termijn en potentiële energie te bepalen (figuur 6a). Volgens de bovenstaande beschrijving, CV (Li ⁺ /Li vs Ag/AgCl) werd verder ondernomen om het lithiumopslaggedrag te begrijpen. De CV-curven hexabenzocoroneen werden gemeten met dezelfde scansnelheden (0,1 mV s ⁻¹ ) en geeft redoxpieken weer met lichte verschuivingen met toenemende scansnelheden, waardoor een rechthoekige vorm wordt weergegeven met toenemende scansnelheden, zoals weergegeven in Fig. 6. De gedraaide rechthoekige vorm met een hoge scansnelheid kan te wijten zijn aan de slechte elektronische aard van de polykristallijne materialen, zoals voorgesteld door Dunn et al. De gemeten hoogste bezette moleculaire orbitale (HOMO) energie bij een vaste potentiaal (V ) kan worden gescheiden in oxidatieverhogingen (V ₁ ), standaard oxidatie-effecten (V ₂ ), en standaard reductie-effecten (V ₃ ) (Vgl. (1)), die de capaciteitsbijdrage van elk onderdeel kwantitatief kan karakteriseren.

Cyclische voltammogrammen (CV's) van ferroceen stroomcollectorschijf versus zilvermetaal in de elektrolyt (a ) zonder toevoeging, en b oxidatie-energie HOMO-waarden in acetonitril met tetrabutylammoniumperchloride als elektrolyt

Het anion/radicaal anion met een elektronendonerende functionele groep leidt tot een homogene/uniforme elektronenverdeling door de vlok, wat gunstig is voor het maximaliseren van het aantal Li ⁺ opgenomen in het hexabenzocoroneen. Het laadproces (Li ⁺ transfer) in hexabenzocoroneenanoden vereist stabilisatie. De berekende stabilisatie-HOMO-energie van de hexabenzocoroneenradicaalanode varieert van 5,592 V, zoals weergegeven in Fig. 6b.

De inzet in figuur 7 laat zien dat de geassembleerde multi-structuren geordende en herschikte processen doormaakten. De optimale d -afstand tussen de lagen voor hexabenzocoroneen werd onderzocht. Dit artikel onthulde een multi-diffusieproces van lithiumionen als de dynamische structuur die dynamische diffusiepaden biedt. TEM toonde aan dat lithium diffundeert tussen de lagen en het vermogen heeft om door de vellen te gaan, wat de diffusie-efficiëntie van lithiumionen (gele vlek) aanzienlijk verhoogt; het aanvullende bestand 1:Afbeelding S1 en Tabel S1 tonen adsorptie en desorptie:V _een /cm ³ (STP) g ⁻¹ waarde is 110,47 en 96,62. Volgens adsorptie-desorptie-isotherm is er geen hysteresislus in de isothermen van HBC. Bovendien wordt in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2 en Tabel S2 het BET-oppervlak weergegeven en is de correlatiecoëfficiënt 0,9999, V _m is 18,647 cm ³ (STP) g ⁻¹ , en een _s,BET is 81,16 m ² g ⁻¹ . Het TEM-beeld onthulde zelf-geassembleerde structuren die ongeorganiseerd waren in het midden van de vingerafdruk, en vervolgens werden ze regelmatiger gerangschikt in een vingerafdrukachtige structuur. In het proces van de zelfassemblage van grafeenvellen, worden grafeenvellen op een gestapelde manier gerangschikt en zelf-geassembleerd tot een gelaagde tweedimensionale structuur op een head-to-head manier. Bovendien is de bindingskracht tussen moleculen zwak zonder sterke chemische bindingen. De zelf-geassembleerde structuur is een dynamisch proces waarbij de hoekige herschikking van zelf-geassembleerde lagen van grafeen nanosheets onder invloed van energie. Bovendien toonde het TEM-beeld aan dat lithiumionen verschillende diffusiemodi hebben tussen de grafeenvellen, die tussen de lagen kunnen diffunderen en door de lagen kunnen gaan, van de binnenste laag naar de buitenste laagdiffusie. Daarom vertoont nano-grafeen sterke diffusie-eigenschappen van lithiumionen en een verrassende opslagcapaciteit voor lithiumionen.

TEM-beeld van meertraps zelfassemblagestructuur van nano-grafeen