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奇妙,室温下即可实现碳的石墨化!

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  • 时间:2020-09-03 12:28:00

 

       石墨是最普遍的碳材料形式之一,基于独特的结构特征,石墨具有良好的导电性和导热性,在电池、催化、特种润滑剂和粉末冶金等领域有广泛的应用。然而,目前关于人造石墨的生产仍采用传统的、高能耗的Acheson工艺,需要将非晶态碳前驱体加热至3000℃。
  鉴于此,橡树岭国家实验室的戴胜研究员、田纳西大学的Zhenzhen Yang等人提出了一种机械化学法,可用于在室温下生产高度结晶的石墨纳米片。该方法的关键,在于在机械存在下通过Mg的脱氮反应,热驱动氮化碳骨架的连续分解和重排。所生成的石墨具有高结晶度,高石墨化度,薄的纳米片结构和小薄片尺寸,将其在锂离子电池中作为负极材料,在倍率容量和循环稳定性方面具有优越的性能。相关工作以Ambient Temperature Graphitization Based on Mechanochemical Synthesis为题在《Angewandte Chemie International Edition》上发表论文。

图文导读

图1 合成示意图及结构表征

  本文提出了一种在室温下制备高结晶石墨纳米片的高效节能和成本效益的方法,如图1A所示,使用一种易获得的、高含氮量的g-C3N4为原料,通过机械球磨,g-C3N4与Mg发生固相反应生成Mg3N2,通过热力学驱动碳的石墨化。通过结构表征,证实了本方案所制备的石墨具有可放大生产、高结晶度、高石墨化度(ID/IG=0.32)和薄纳米片结构的特点。

图2 SEM、TEM及其SAED图

  显著的形态变化进一步说明了g-C3N4向高结晶石墨的转变。SEM图表明,经过化学反应后,g-C3N4的块状结构转变为呈花瓣状、横向尺寸减小的结构。HRTEM图表明,g-C3N4显示出大且不透明的块状结构,而高结晶石墨呈现出透明、扁平、片状的形态,每片厚度约为3 nm。此外,g-C3N4的低结晶度与所制备的石墨的高结晶度也可通过选区电子衍射图得到验证。

图3 结构表征及在LIB半电池中的测试

  拉曼光谱进一步证实了所得石墨的高石墨化度(图3A),其ID/IG比值为0.32,其石墨质量甚至高于由高能耗工艺所制备的石墨材料。随时间变化的球磨工艺结果表明,在1.5 h内可以得到长程有序的高结晶石墨。延长反应时间至3 h后,石墨的结晶度大幅度降低,这可能是由于石墨骨架的部分坍塌造成的。此外,作者也比较了在不同的反应物摩尔比,结果证实随着g-C3N4:Mg的摩尔比逐渐增大,结晶度也逐渐增加(图3C)。改变前驱体g-C3N4的来源(源于尿素),相同条件下仍可获得高质量的石墨(图3D)。将所制备的石墨用作LIBs的负极材料,并进行电化学测试。CV曲线证实了石墨的可逆有效储锂/释锂。在0.26C的电流密度下,其容量可达393 mAh/g,且在高电流密度下也可保持较高容量(图3G)。在4.0 C下,经过400次循环,石墨负极的容量仍保持在299 mAh/g,库仑效率达到99.7%(图3H)。

文献信息:

  Ambient Temperature Graphitization Based on Mechanochemical Synthesis,Angewandte Chemie International Edition,2020.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202009180