Dynamic Hierarchical Self-Assemble Small Molecular Structure Hexabenzocoronene untuk Penyimpanan Ion Lithium Anoda Berkinerja Tinggi

Hasil dan Diskusi

Hexabenzocoronene adalah bahan karbon-karbon yang dikombinasikan dengan ikatan kimia konjugat –π yang signifikan. Prosedur untuk pembuatan heksabenzokoronen terdiri dari serangkaian reaksi, seperti Sonogashira, reaksi Diels-Alder, reaksi siklus berbasis katalis Lewis, dan deprotonasi dalam kondisi dasar untuk menghasilkan zat antara dengan hasil yang tidak memuaskan [36,37,38]. Senyawa target dihasilkan dari intermediet dan nitrometana dengan perlakuan reagen Lewis memberikan senyawa target dalam hasil yang sama rendahnya [39, 40]. Larutan reaksi dipadamkan dengan metanol, diikuti dengan pelarutan berulang dan pengendapan dengan metilen klorida/metanol. Senyawa mentah yang terkumpul dicuci dengan metanol/aseton (1:1) untuk menghasilkan padatan kekuningan (lihat File tambahan 1) [41, 42].

HBC sudah banyak digunakan, namun dalam kajian sistem self-assembled perlu dipahami lebih jauh. Meskipun studi tentang bahan anoda yang sama atau serupa telah disebutkan dalam literatur yang dilaporkan, studi HBC masih belum cukup. Oleh karena itu, fokus pekerjaan adalah pada penelitian rinci dari sistem self-assembly, dan meletakkannya satu per satu untuk memahami distribusi dinamis internal agregasi dan induksi dan untuk meningkatkan suplemen kekurangan bahan anoda konten.

Nano-graphene molekul kecil dirakit sendiri secara dinamis untuk membentuk lembaran tipis biasa, yang disusun secara berurutan dan sistematis untuk membentuk fragmen nano-graphene lembaran intermiten yang dipegang erat satu sama lain [43]. Di sisi lain, struktur agregat rakitan dinamis yang ditumpangkan pada subjek untuk mengatur ulang/berubah di bawah tekanan, sehingga membentuk bentuk roda gigi yang tidak rata [44, 45]. Karena ukuran nano-graphene itu sendiri, tidak ada tonjolan yang jelas dalam struktur keseluruhan. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, seluruh agregasi nano teratur, seperti bentuk sidik jari (Gbr. 2).

Rakitan hierarkis dinamis nano-graphene untuk mengatur ulang dan mengubah

Untuk menjelaskan penataan ulang/perubahan tersebut di atas yang disebabkan oleh beratnya sendiri dan apakah itu akan mempengaruhi sifat material, pemindaian mikroskop elektron (SEM) dilakukan untuk menentukan apakah ukuran partikel telah berubah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, nanopartikel dikumpulkan bersama dan ukuran partikelnya tidak terpengaruh oleh penataan ulang/perubahan. Gambar SEM dengan jelas menunjukkan bahwa nano-graphene didistribusikan secara seragam sebagai nanopartikel. Selain itu, kluster seperti bunga aster, dalam jangkauan 200, 50, dan 20 nm, diamati. Bagian ujungnya direntangkan ke luar dengan keteraturan tertentu, yang terkonsentrasi padat seperti pola bunga. Oleh karena itu, proses perakitan mandiri lembaran nano-graphene dapat dilakukan dengan dua cara. Pertama, molekul nano-graphene dirakit sendiri dengan tumpang tindih di tepinya. Kedua, molekul nano-graphene tumpang tindih satu sama lain, yang memungkinkan perakitan molekul sendiri.

Gambar SEM dan TEM untuk hexabenzocoronene

Mikroskop elektron transmisi (TEM) menunjukkan bahwa molekul hexabenzocoronene menunjukkan fitur struktural dengan jarak lapisan yang koheren dan jarak lapisan molekul dari 0,34 nm. Resolusi tinggi TEM (HRTEM) menunjukkan bahwa nanopartikel mengikat satu sama lain (Gbr. 4) [46, 47]. Cincin difraksi konsentris dalam pola difraksi elektron area yang dipilih (SAED) mengkonfirmasi sifat polikristalin heksabenzokoronen. Selanjutnya, gambar HRTEM menunjukkan bahwa sebagian besar dinding seperti graphene terdiri dari beberapa lapisan (≈ 14 lapisan), menunjukkan struktur yang biasanya sangat tipis [48,49,50,51]. Struktur lapis demi lapis dari hexabenzocoronene dan d . yang sempurna -jarak antar lapisan menyoroti kinerja bahan anoda LIB.

Gambar HRTEM dari hexabenzocoronene dengan rakitan hierarkis dinamisnya

Profil tegangan hexabenzocoronene dan unjuk kerjanya diukur dengan menggunakan cycling test. Gambar 5 menunjukkan kapasitas elektroda pada berbagai rapat arus dan profil tegangan yang sesuai. Kapasitas pada 100 siklus adalah 200 mAh/g, dan reversibilitas yang baik diamati dengan efisiensi coulombik lebih dari 98%.

Profil tegangan pelepasan muatan galvanostatik dari anoda hexabenzocoronene sebagai fungsi dari bilangan siklus

Siklus tegangan (CV) dilakukan pada potensi tinggi baterai lithium-ion untuk menentukan stabilitas jangka panjang dan energi potensial (Gbr. 6a). Sesuai dengan uraian di atas, CV (Li ⁺ /Li vs Ag/AgCl) dilakukan lebih lanjut untuk memahami perilaku penyimpanan lithium. Kurva CV hexabenzocoronene diukur pada kecepatan pemindaian yang sama (0,1 mV s ⁻¹ ) dan menampilkan puncak redoks dengan sedikit pergeseran dengan meningkatnya kecepatan pemindaian, sehingga menunjukkan bentuk persegi panjang dengan peningkatan kecepatan pemindaian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Bentuk persegi bengkok pada kecepatan pemindaian yang cepat mungkin disebabkan oleh sifat elektronik polikristalin yang buruk bahan, seperti yang diusulkan oleh Dunn et al. Energi orbital molekul terisi tertinggi (HOMO) terukur pada potensial tetap (V ) dapat dipisahkan menjadi kenaikan oksidasi (V ₁ ), efek oksidasi standar (V ₂ ), dan efek reduksi standar (V ₃ ) (Persamaan (1)), yang secara kuantitatif dapat mencirikan kontribusi kapasitas setiap bagian.

Voltammogram siklik (CV) dari cakram pengumpul arus ferrosen vs. logam perak dalam elektrolit (a ) tanpa aditif, dan b energi oksidasi Nilai HOMO dalam asetonitril menggunakan elektrolit tetrabutilamonium perklorida

Anion/anion radikal dengan gugus fungsi penyumbang elektron menyebabkan distribusi elektron homogen/seragam di seluruh serpihan, yang bermanfaat untuk memaksimalkan jumlah Li ⁺ dimasukkan ke dalam heksabenzokoronen. Proses pengisian (Li ⁺ transfer) dalam anoda hexabenzocoronene membutuhkan stabilisasi. Energi HOMO stabilisasi yang dihitung dari anoda radikal heksabenzokoronen berkisar dari 5,592 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b.

Inset pada Gbr. 7 menunjukkan bahwa multi-struktur yang dirakit mengalami proses yang diatur dan diatur ulang. d . yang optimal -jarak antara lapisan untuk hexabenzocoronene diperiksa. Makalah ini mengungkapkan proses multi-difusi ion lithium sebagai struktur dinamis yang menyediakan jalur difusi dinamis. TEM menunjukkan bahwa lithium berdifusi di antara lapisan dan memiliki kemampuan untuk melewati lembaran, yang sangat meningkatkan efisiensi difusi ion lithium (titik kuning); file tambahan 1:Gambar S1 dan Tabel S1 menunjukkan adsorpsi dan desorpsi:V _a /cm ³ (STP) g ⁻¹ nilainya adalah 110,47 dan 96,62. Menurut isoterm adsorpsi-desorpsi, tidak ada loop histeresis dalam isoterm HBC. Selain itu, File tambahan 1:Gambar S2 dan Tabel S2 menunjukkan luas permukaan BET, dan nilai koefisien korelasinya adalah 0,9999, V _m adalah 18,647 cm ³ (STP) g ⁻¹ , dan a _s,BET adalah 81,16 m ² g ⁻¹ . Gambar TEM mengungkapkan struktur rakitan sendiri yang tidak teratur di tengah sidik jari, dan kemudian disusun lebih teratur menjadi struktur seperti sidik jari. Dalam proses self-assembly lembaran graphene, lembaran graphene disusun secara bertumpuk dan dirakit sendiri menjadi struktur dua dimensi berlapis secara head-to-head. Selain itu, gaya ikatan antar molekul lemah tanpa ikatan kimia yang kuat. Struktur rakitan sendiri adalah proses dinamis yang melibatkan penataan ulang sudut dari lapisan nanosheet graphene yang dirakit sendiri di bawah aksi energi. Selain itu, gambar TEM menunjukkan bahwa ion lithium memiliki mode difusi yang berbeda antara lembaran graphene, yang dapat berdifusi antar lapisan dan melewati lapisan, dari lapisan dalam hingga difusi lapisan luar. Oleh karena itu, nano-graphene menunjukkan sifat difusi ion litium yang kuat dan kapasitas penyimpanan ion litium yang mengejutkan.

Gambar TEM dari struktur rakitan mandiri multi-tahap nano-graphene