北京大学王前教授研究组JMCA：由五边形石墨烯纳米带组装的三维多孔金属碳结构及其在钠离子电池中的应用

文 章 信 息

第一作者：李思妍

通讯作者：王前

单位：北京大学

研究背景

从古老的石墨、金刚石到石墨烯、五边形石墨烯，碳在新材料的研究中，一直充当着领头羊的作用。而三维多孔金属性纯碳材料的设计与合成一直是碳材料研究的重要课题：一维碳纳米管的金属性依赖于其手征性且实验中难以实现可控生长和分离；二维石墨烯因其费米面处的电子态密度为零只能表现出半金属性；虽然三维石墨是金属性的但属于层状而非多孔材料。

目前所报道的三维多孔金属性碳结构大都由石墨烯纳米带构成，其结构基元为碳六元环。能否用五边形石墨烯纳米带来构建多孔金属性碳结构？这种材料能否像由石墨烯纳米带构建的三维多孔碳材料那样可望用作钠离子电池负极材料？本研究工作首次回答了这些挑战性问题。

文章简介

北京大学王前教授研究组在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为”A New 3D Metallic Carbon Composed of Penta-Graphene Nanoribbons as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries”的文章。该工作模拟设计了一种新型三维金属碳结构penta-oC36，并探究了它作为钠离子电池负极材料的性质。

文章要点

要点一：由五边形石墨烯纳米带构建的三维金属碳结构

通过将五边形石墨烯纳米带两侧带有悬挂键的碳原子与邻近的同种原子键合，模拟设计出一种具有正交晶系(orthogonal symmetry)的多孔碳结构，该结构的晶胞中含有36个碳原子，因而将其命名为penta-oC36。

该结构中一维通道直径为8.6 Å，沿晶胞基矢c方向延伸。声子谱的计算及高温下的第一性原理分子动力学模拟确认了penta-oC36的动力学稳定性和热学稳定性。

图1. Penta-oC36的模拟设计.

要点二：Penta-oC36的力学性质分析

Penta-oC36的力学性质具有显著的各向异性，晶胞基矢c方向上的杨氏模量大、理想强度高，而在另两个晶胞基矢方向上杨氏模量小、理想强度低，因此，是一种柔性碳材料。

图2. Penta-oC36的力学性质分析.

要点三：Penta-oC36的电子结构分析

虽然五边形石墨烯是宽带隙半导体，但由五边形石墨烯纳米带所形成的penta-oC36有电子能带穿越费米能级，表现出金属性。

这些能带均在含有沿晶胞基矢c方向晶格动量的布里渊区高对称路径上穿越费米能级，表明penta-oC36的金属性在晶胞基矢c方向上出现。电子局域函数ELF的分析发现，离域电子(ELF = 0.5)通道围绕三配位的碳原子，形成沿晶胞基矢c方向的离域电子通道。

图3. Penta-oC36的电子结构分析。

要点四：Penta-oC36用作钠离子电池负极的性质分析

Penta-oC36规则的孔道结构和内秉的金属导电特性为其在钠离子电池负极材料的应用提供了基础。计算表明吸附钠离子的可逆容量高达496.9 mA·h·g-1，是硬碳可逆容量的两倍，且在钠离子完全吸附、脱附的情况下平均开路电压低（0.39 V），可以在避免枝晶产生的同时使得电池具有较高的工作电压。

在不同的钠离子浓度下，钠离子在penta-oC36一维通道中的迁移势垒均可低至0.01 eV数量级，表明出钠离子在penta-oC36中有快速的扩散动力学。

图4. Penta-oC36用作钠离子电池负极材料的性能分析。

要点五：前瞻

本工作为设计和合成以五边形为结构基元的三维材料提供了新思路和结构模型。2015年由该研究组所提出的五边形石墨烯[Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, 2372 (2015)]极大地推动了超越石墨烯的二维材料研究，实现了百余年来数学家所提出的用五边形堆砌二维平面的数学模型，并且为由其他元素所构成的五边形二维材料提供了原子结构模型。

迄今为止，人们已发现了百余种五边形二维结构，有的已被实验合成 （参见我们所建的数据库：http://www.pubsd.com）。本研究工作将进一步把五边形二维结构推进到三维结构，以丰富以五边形为基元的新型功能材料，这些材料将在电池、催化与微电子领域有着广泛的应用前景。

文章链接

A New 3D Metallic Carbon Composed of Penta-Graphene Nanoribbons as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta07000b

通 讯 作 者 简 介

王前 教授，北京大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。

北京大学"高能量密度物理数值模拟"教育部重点实验室副主任，国家重点研发计划政府间科技创新重点专项负责人，SCI学术期刊Modern Physics Letters B和International Journal of Modern Physics B副主编。2001年于日本东北大学获博士学位，2011年入职北大并成立独立研究组，建立了新材料计算模拟实验室。近年来，在新型碳材料的计算模拟和自旋电子学材料磁性的理论研究方面取得了一系列具有重要科学意义和国际影响力的突出成就，获2016-2017年度谢希德物理奖，2016年亚洲计算材料协会ACCMS颁发的杰出贡献奖，2021年国际先进材料协会（International Association of Advanced Materials, IAAM）颁发的IAAM Medal；获北京大学优秀博士论文指导教师、北京大学本科教学优秀奖等荣誉。自2014年起，连续入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单；入选2020全球前2%顶尖科学家“生涯影响力”榜单。

封面图来源图虫创意