物理化学学报 >> 2016, Vol. 32 >> Issue (10): 2390-2398.doi: 10.3866/PKU.WHXB201607132

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石墨烯化聚合物:一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子能源材料

梁家旭1,2,肖志昌1,2,智林杰1,2,*()   

  1. 1 中国科学院纳米科学卓越创新中心,国家纳米科学中心,北京100190
    2 中国科学院大学,北京100049
  • 收稿日期:2016-06-02 发布日期:2016-09-30
  • 通讯作者: 智林杰 E-mail:zhlj@nanoctr.cn
  • 作者简介:梁家旭,1986年生。分别于2008年和2012年在北京理工大学获学士和硕士学位。2014年至今,在国家纳米科学中心攻读博士学位。主要研究方向为富碳纳米材料的制备和表征及其在能源环境领域的应用;肖志昌,1989年生。2013年在首都师范大学获理学学士学位。2013年至今,在国家纳米科学中心攻读博士学位。主要研究方向为基于有机多孔聚合物的结构可控的富碳纳米材料及其在纳米能源领域中的应用;智林杰,1969年生。2000年在中国科学院煤炭化学研究所获博士学位,2000-2007年相继在中国科学院化学研究所和德国马普协会高分子研究所工作。2007年,聘为国家纳米科学中心研究员,科学院百人计划人选,博士生导师。主要研究兴趣为富碳纳米材料的构建与结构控制及其在能源与环境领域的应用。|肖志昌,1989年生。2013年在首都师范大学获理学学士学位。2013年至今,在国家纳米科学中心攻读博士学位。主要研究方向为基于有机多孔聚合物的结构可控的富碳纳米材料及其在纳米能源领域中的应用。|智林杰,1969年生。2000年在中国科学院煤炭化学研究所获博士学位,2000-2007年相继在中国科学院化学研究所和德国马普协会高分子研究所工作。2007年,聘为国家纳米科学中心研究员,科学院百人计划人选,博士生导师。主要研究兴趣为富碳纳米材料的构建与结构控制及其在能源与环境领域的应用。
  • 基金资助:
    科技部纳米专项课题(2012CB933403);和国家自然科学基金委杰出青年基金(51425302)

Graphenal Polymers: 3D Carbon-Rich Polymers as Energy Materials with Electronic and Ionic Transport Pathways

Jia-Xu LIANG1,2,Zhi-Chang XIAO1,2,Lin-Jie ZHI1,2,*()   

  1. 1 CAS Center of Excellence for Nanoscience, National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190, P. R. China
    2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
  • Received:2016-06-02 Published:2016-09-30
  • Contact: Lin-Jie ZHI E-mail:zhlj@nanoctr.cn
  • Supported by:
    Ministry of Science and Technology of China(2012CB933403);National Natural Science Foundation forDistinguished Young Scholars, China(51425302)

摘要:

近年来,用于电化学能源存储和转化的石墨烯材料,得到了研究者们越来越多的关注。但是,这些石墨烯材料不同于严格定义的单原子碳层结构,往往具有孔洞、杂原子和化学官能团等缺陷结构。由于制备方法的不同,缺陷结构各不相同,其电化学性能也表现各异。结构分析表明,这类材料是由类似石墨烯片段的单元与聚合物链共价连接而成,使其具有石墨烯和聚合物的双重特性,我们称之为石墨烯化聚合物。由小分子通过自下而上的方法制备的多孔聚合物,也可以通过进一步热交联等方法,使其形成包含石墨烯片段单元与聚合物链的化学结构。这些材料与石墨烯衍生材料一起组成了石墨烯化聚合物的整个谱系;这个谱系涵盖了由聚合物到石墨烯的过渡区。更重要的是,这类材料特殊的结构与性质,使其成为一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子材料,非常适合作为电极材料应用于电化学能源存储和转化,这为我们深入研究储能器件中电极材料的结构与性能的相关关系提供了很好的材料平台。

关键词: 石墨烯化聚合物, 富碳高分子, 能源材料, 电化学, 能源存储和转化

Abstract:

Graphene and its derivatives have attracted increasing attention during the last decade as efficient materials for the storage and conversion of energy. In most cases, however, these graphene materials possess large numbers of structural defects such as cavities, heteroatoms and functional groups, making them quite different from the precisely-defined "single carbon layer of graphite" observed for graphene. These materials also differ considerably in terms of their electrochemical properties because of their variable structures, which are strongly influenced by the methods used during their preparation. Structural analyses have indicated that these materials consist of graphene subunits, which are interconnected by organic linkers with properties lying between those of graphene and polymers, which we have defined as "graphenal polymers". The thermal crosslinking reactions of porous polymer networks fabricated from small organic molecules using a bottom-up strategy also result in graphene-like subunits, which are covalently interconnected by polymeric fractions. These materials cover a series of transitional intermediates belonging to the "graphenal polymers" family, where polymers and graphene sit at opposite ends of family spectrum. Moreover, the special structures and properties of these materials make them ideal electrode materials for the storage and conversion of energy via electronic and ionic transport pathways, allowing for a deeper evaluation of the structure-property relationships of different electrode materials.

Key words: Graphenal polymer, Carbon-rich polymer, Energy material, Electrochemistry, Energy storage and conversion

MSC2000: 

  • O646