고성능 양극 리튬 이온 저장을 위한 동적 계층 자가 조립 소분자 구조 헥사벤조코로넨

결과 및 토론

Hexabenzocoronene은 상당한 π-π 공액 화학 결합과 결합된 탄소-탄소 물질입니다. 헥사벤조코로넨의 제조과정은 소노가시라(Sonogashira), 딜스-알더(Diels-Alder) 반응, 루이스 촉매계 순환 반응, 염기성 조건에서 탈양성자화(deprotonation) 등의 일련의 반응으로 구성되어 중간체를 만족스럽지 못한 수율로 얻었다[36,37,38]. 표적 화합물은 중간체로부터 생성되며, 루이스 시약의 처리로 니트로메탄은 유사하게 낮은 수율로 표적 화합물을 제공하였다[39, 40]. 반응 용액을 메탄올로 급랭시킨 후, 메틸렌 클로라이드/메탄올로 용해 및 침전을 반복하였다. 수집된 조 화합물을 메탄올/아세톤(1:1)으로 세척하여 황색 고체를 생성했습니다(추가 파일 1 참조)[41, 42].

HBC는 널리 사용되어 왔지만 자체 조립 시스템에 대한 연구에서는 더 많은 이해가 필요합니다. 보고된 문헌에 동일하거나 유사한 양극 재료에 대한 연구가 언급되었지만 HBC 연구는 여전히 불충분합니다. 따라서 자기조립 시스템에 대한 상세한 연구에 중점을 두고, 응집과 유도의 내부 동적 분포를 이해하고, 함량이 부족한 음극재의 보완을 개선하기 위해 하나씩 적용하고 있다.

소분자 나노 그래핀은 동적으로 자가 조립되어 규칙적인 얇은 시트를 형성하고, 순차적이고 체계적으로 적층되어 서로 단단히 고정된 간헐적 시트 나노 그래핀 단편을 형성합니다[43]. 한편, 동적 자기조립 골재 구조는 응력 하에서 재배열/변화되는 대상에 중첩되어 고르지 않은 기어 형상을 형성한다[44, 45]. 나노 그래핀 자체의 크기로 인해 전체 구조에서 뚜렷한 팽창이 없었습니다. 그림과 같이 전체 나노 덩어리가 지문처럼 규칙적이었다(Fig. 2).

재정렬 및 ​​변경을 위한 나노 그래핀 동적 계층적 조립

위에서 언급한 자체 무게로 인한 재배열/변화와 이것이 재료 특성에 영향을 미치는지 설명하기 위해 주사 전자 현미경(SEM)을 수행하여 입자 크기가 변경되었는지 확인했습니다. 그림 3에서 보는 바와 같이 나노입자가 뭉쳐져 입자크기가 재배열/변화에 영향을 받지 않음을 알 수 있다. SEM 이미지는 나노 그래핀이 나노 입자로 균일하게 분포되어 있음을 명확하게 보여줍니다. 또한 범위가 200, 50, 20nm인 데이지형 클러스터가 관찰되었습니다. 끝 부분은 일정한 규칙성을 가지고 바깥쪽으로 뻗어 있으며, 이는 꽃 무늬처럼 촘촘하게 집중되어 있습니다. 따라서 나노 그래핀 시트의 자기 조립 공정은 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 첫째, 나노 그래핀 분자는 가장자리를 중첩하여 자기 조립됩니다. 둘째, 나노 그래핀 분자가 서로 중첩되어 분자의 자가 조립이 가능합니다.

헥사벤조코로넨에 대한 SEM 및 TEM 이미지

투과 전자 현미경(TEM)은 헥사벤조코로넨 분자가 0.34nm의 분자 층 간격과 응집성 층 간격을 갖는 구조적 특징을 나타내는 것으로 나타났습니다. 고해상도 TEM(HRTEM)은 나노 입자가 서로 결합함을 나타냅니다(그림 4)[46, 47]. 선택된 영역 전자 회절(SAED) 패턴의 동심 회절 고리는 헥사벤조코로넨의 다결정 특성을 확인합니다. 또한, HRTEM 이미지는 대부분의 그래핀 유사 벽이 몇 개의 층(≈ 14개 층)으로 구성되어 일반적으로 초박형 구조를 나타냄을 보여줍니다[48,49,50,51]. 헥사벤조코로넨의 층별 ​​구조와 완벽한 d -층 사이의 간격은 LIB 양극 재료의 성능을 강조합니다.

동적 계층 구조가 결합된 헥사벤조코로넨의 HRTEM 이미지

헥사벤조코로넨의 전압 프로파일과 성능은 사이클링 테스트를 사용하여 측정되었습니다. 그림 5는 다양한 전류 밀도에서 전극의 용량과 해당 전압 프로필을 보여줍니다. 100주기에서 용량은 200mAh/g이며 쿨롱 효율이 98% 이상으로 양호한 가역성이 관찰되었습니다.

사이클링 수에 따른 헥사벤조코로넨 양극의 정전류 방전-충전 전압 프로파일

사이클 전압(CV)은 리튬 이온 배터리의 높은 전위에서 수행되어 장기 안정성과 위치 에너지를 결정했습니다(그림 6a). 위의 설명에 따르면 CV(Li ⁺ /Li 대 Ag/AgCl) 리튬 저장 거동을 이해하기 위해 추가로 착수했습니다. CV 곡선 헥사벤조코로넨은 동일한 스캔 속도(0.1mVs ⁻¹ ) 및 스캔 속도가 증가함에 따라 약간의 이동으로 산화 환원 피크를 표시하여 그림 6과 같이 스캔 속도가 증가함에 따라 직사각형 모양을 나타냅니다. 빠른 스캔 속도에서 뒤틀린 직사각형 모양은 다결정의 열악한 전자 특성 때문일 수 있습니다. Dunn et al.이 제안한 재료. 고정 전위(V)에서 측정된 최고 점유 분자 궤도(HOMO) 에너지 ) 산화 증가(V ₁ ), 표준 산화 효과(V ₂ ) 및 표준 감소 효과(V ₃ ) (식 (1)), 이는 각 부분의 용량 기여도를 정량적으로 특성화할 수 있습니다.

페로센 집전체 디스크 대 전해질의 은 금속의 순환 전압전류도(CV)(a ) 무첨가 및 b 테트라부틸암모늄 퍼클로라이드를 전해질로 사용하는 아세토니트릴의 산화 에너지 HOMO 값

전자 공여 작용기를 가진 음이온/라디칼 음이온은 플레이크 전체에 균일한/균일한 전자 분포를 유도하여 Li ⁺ 수를 최대화하는 데 도움이 됩니다. 헥사벤조코로넨에 포함됩니다. 충전 과정(Li ⁺ 전이) 헥사벤조코로넨 양극에서 안정화가 필요합니다. 헥사벤조코로넨 라디칼 양극의 계산된 안정화 HOMO 에너지 범위는 그림 6b와 같이 5.592V 범위입니다.

그림 7의 삽입은 조립된 다중 구조가 배열 및 재배열 프로세스를 경험했음을 보여줍니다. 최적의 d -헥사벤조코로넨에 대한 층 사이의 간격을 조사했습니다. 이 논문은 동적 확산 경로를 제공하는 동적 구조로서 리튬 이온의 다중 확산 과정을 밝혔다. TEM은 리튬이 층 사이를 확산하고 시트를 통과하는 능력이 있어 리튬 이온(황반) 확산 효율을 크게 증가시키는 것으로 나타났습니다. 추가 파일 1:그림 S1 및 표 S1은 흡착 및 탈착을 보여줍니다. V _아 /cm ³ (STP) g ⁻¹ 값은 110.47 및 96.62입니다. 흡착-탈착 등온선에 따르면 HBC의 등온선에는 히스테리시스 루프가 없습니다. 또한 추가 파일 1:그림 S2 및 표 S2는 BET 표면적을 나타내며 상관 계수 값은 0.9999, V입니다. _m 18.647 cm ³ 입니다. (STP) g ⁻¹ 및 a _베팅 81.16m ² 입니다. g ⁻¹ . TEM 이미지는 지문 중앙에서 무질서하게 배열된 자기조립 구조를 보여주었으며, 이후 보다 규칙적으로 지문과 유사한 구조로 배열되었다. 그래핀 시트의 자가 조립 과정에서 그래핀 시트는 적층 방식으로 배열되고 헤드 투 헤드 방식으로 적층된 2차원 구조로 자가 조립된다. 또한, 강한 화학 결합이 없어 분자 간의 결합력이 약합니다. 자가조립 구조는 에너지 작용하에 그래핀 나노시트의 자가조립층의 각도 재배열을 포함하는 동적 과정이다. 또한, TEM 이미지는 리튬 이온이 내부 층에서 외부 층 확산으로 층 사이에서 확산되고 층을 통과할 수 있는 그래핀 시트 사이에서 다른 확산 모드를 가짐을 보여주었다. 따라서 나노 그래핀은 강력한 리튬 이온 확산 특성과 놀라운 리튬 이온 저장 용량을 나타냅니다.

나노 그래핀 다단계 자기조립 구조의 TEM 이미지