19.06.2020 - Chinese Academy of Sciences

Redes de carbono bidimensionales

Graphdiyne como un material de almacenamiento funcional de iones de litio

Las baterías de iones de litio suelen contener carbones grafíticos como materiales anódicos. Los científicos han investigado la grafodina de nanoweb carbónica como una novedosa red de carbono bidimensional por su idoneidad en las aplicaciones de las baterías. La graphdiyne es tan plana y delgada como el grafeno, que es la versión del grafito de una sola capa atómica, pero tiene una mayor porosidad y propiedades electrónicas ajustables. En la revista Angewandte Chemie, los investigadores describen su sencilla síntesis de abajo hacia arriba a partir de moléculas precursoras hechas a medida.

Los materiales de carbono son los materiales anódicos más comunes en las baterías de iones de litio. Su estructura en capas permite que los iones de litio viajen dentro y fuera de los espacios entre las capas durante el ciclo de la batería, tienen una red cristalina hexagonal altamente conductiva y bidimensional, y forman una red estable y porosa para una penetración eficiente de los electrolitos. Sin embargo, el ajuste fino de las propiedades estructurales y electroquímicas es difícil, ya que estos materiales de carbono se preparan en su mayoría a partir de materia de carbono polimérico en una síntesis de arriba a abajo.

La grafodina es una red bidimensional híbrida formada por anillos hexagonales de carbono unidos por dos unidades de acetileno (la "diina" del nombre). Se ha sugerido la Graphdiyne como una membrana de nanoweb para la separación de isótopos o helio. Sin embargo, sus propiedades electrónicas distintivas y su estructura similar a una red también hacen que la grafodina sea adecuada para aplicaciones electroquímicas. Changshui Huang de la Academia China de Ciencias, Beijing, y sus colegas han investigado las capacidades de almacenamiento de litio y las propiedades electroquímicas de los derivados de la grafodina hechos a medida y ajustados electrónicamente.

Los científicos sintetizaron los derivados de la grafodina en una estrategia de abajo hacia arriba añadiendo moléculas precursoras en una lámina de cobre, que se autoorganizaron para formar nanoestructuras ordenadas en capas. Utilizando monómeros que contenían grupos funcionales con interesantes propiedades electrónicas, los autores prepararon grafodinas funcionales con propiedades electroquímicas y morfológicas distintas.

Entre estos grupos funcionales, los que ejercían efectos de retiro de electrones redujeron la brecha de banda de la grafodina y aumentaron su conductividad, informaron los autores. El grupo de ciano fue especialmente eficaz y, cuando se utilizó como material anódico, la grafodina modificada con ciano demostró una excelente capacidad de almacenamiento de litio y fue estable durante miles de ciclos, como informaron los autores.

En contraste, cuando la grafodina fue modificada con grupos funcionales voluminosos (grupos metilo) que donan electrones a la red de grafodina, los autores observaron un mayor espaciamiento de las capas, lo que hizo que la estructura del material fuera inestable, de modo que el ánodo sólo sobrevivió a unos pocos ciclos de carga y descarga. Los autores también compararon ambos materiales de grafodina modificados con una versión "vacía" en la que sólo el hidrógeno ocupaba la posición de los grupos funcionales en la red.

Los autores concluyen que la grafodina modificada puede prepararse mediante una estrategia de abajo hacia arriba, que también es la más adecuada para construir arquitecturas funcionales bidimensionales de material de carbono para baterías, condensadores y otros dispositivos electrocatalíticos.

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