石墨炔(GDY)是一种新型的同时含有sp和sp2杂化碳的二维(2D)碳材料，具有优异的半导体性质。2010年，石墨炔被李玉良院士首次合成以来，在催化，传感，电子，生物科学等领域得到了广泛研究，尤其是能源方面已显示出潜在的应用前景。与其他碳基材料相比，GDY具有较高的理论容量可以储存更多的锂离子，导致更高的能量密度和更长的循环次数，其优异的导电性允许电子的有效传输和电池内的离子扩散。但最重要的是，GDY中的可调节结构提供了高度的灵活性，以适应特定的应用。通过控制掺杂、尺寸和缺陷GDY，可以调整其电子和机械性质，使其成为应用于锂离子电池的潜在材料。
近日，青岛科技大学赵英杰教授带领研究团队通过"自下而上"的方法合成了一种新型2D富氮石墨炔HATN-GDY，将其用于到锂离子电池负极，表现出优越的电化学性能。
图1 HATN-GDY的合成路线图
该工作通过在铜片表面采用"自下而上"的合成方法制备了一种2D富氮石墨炔HATN-GDY，其中铜片既作为催化剂又作为模板。通过二炔键将电化学活性的六氮杂苯并菲（HATN）单元连接在一个2D平面上，并构筑了一个全p共轭体系（图1）。精确的单体设计使HATN-GDY具有明确的氮掺杂结构和精确的氮含量。通过TEM、SEM和AFM对其进行形貌表征，验证了这些薄膜的层状结构。根据XPS和Raman图谱，可以很容易地观察到所得到的HATN-GDY的结构和化学组成。将制备的HATN-GDY用于锂离子电池，表现出优异的比容量(2139 mA h g-1)和强大的循环稳定性，其比容量大于目前大多数已报道的碳材料。这些优点表明HATN-GDY是一种潜在的高能量密度锂离子电池电极材料。
该成果以“A nitrogen-rich graphdiyne containing hexaazatrinaphthylene for high-performance lithium-ion batteries”(《一种含六氮杂苯并菲的富氮石墨炔用于高性能锂离子电池》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Communications 上。
论文信息
· A nitrogen-rich graphdiyne containing hexaazatrinaphthylene for high-performance lithium-ion batteries
Jiaheng Hou, Danbo Wang, Menghuan Chao, Lin Zhang, Hui Liu* and Yingjie Zhao*（赵英杰，青岛科技大学）
Chem. Commun., 2024,60, 1908-1911
https://doi.org/10.1039/D3CC05722D
作者简介
· 侯加恒
第一作者信息介绍：本文第一作者，2021级硕士研究生，就读于青岛科技大学高分子科学与工程学院。主要研究方向为二维多孔材料的构筑及其储能应用。
· 刘辉
通讯作者信息介绍：本文通讯作者，青岛科技大学高分子科学与工程学院讲师。主要研究方向为二维和三维超分子框架材料，晶态共价框架材料的制备及其催化研究。具体包括晶态共轭多孔材料；新型光催化剂；新型能源材料等。在国际著名期刊杂志发表SCI论文20余篇，主持国家级项目1项，山东省项目1项，青岛市博士后资助1项。
· 赵英杰
通讯作者信息介绍：本文通讯作者，青岛科技大学高分子科学与工程学院教授。2011年博士毕业于中科院化学所，2011-2016年先后在瑞士日内瓦大学，苏黎世联邦理工学院从事博士后研究。目前主要致力于晶态高共轭二维、三维多孔材料的设计合成和能源、催化方面的应用研究。通过动态共价化学、自组装等方式在溶液相、界面以及晶体相中实现高结晶性有机二维、三维材料的制备，探讨该种新材料在光、电催化、储能等领域的应用。目前已在Nat. Synth., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci.等期刊发表SCI论文100余篇。
