顆粒在線訊：從古老的石墨、金剛石到石墨烯、五邊形石墨烯，碳在新材料的研究中，一直充當著領(lǐng)頭羊的作用。而三維多孔金屬性純碳材料的設(shè)計與合成一直是碳材料研究的重要課題：一維碳納米管的金屬性依賴于其手征性且實驗中難以實現(xiàn)可控生長和分離；二維石墨烯因其費米面處的電子態(tài)密度為零只能表現(xiàn)出半金屬性；雖然三維石墨是金屬性的但屬于層狀而非多孔材料。

目前所報道的三維多孔金屬性碳結(jié)構(gòu)大都由石墨烯納米帶構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)基元為碳六元環(huán)。能否用五邊形石墨烯納米帶來構(gòu)建多孔金屬性碳結(jié)構(gòu)？這種材料能否像由石墨烯納米帶構(gòu)建的三維多孔碳材料那樣可望用作鈉離子電池負極材料？本研究工作首次回答了這些挑戰(zhàn)性問題。

文章簡介

北京大學王前教授研究組在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表題為”A New 3D Metallic Carbon Composed of Penta-Graphene Nanoribbons as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries”的文章。該工作模擬設(shè)計了一種新型三維金屬碳結(jié)構(gòu)penta-oC36，并探究了它作為鈉離子電池負極材料的性質(zhì)。

文章要點

要點一：由五邊形石墨烯納米帶構(gòu)建的三維金屬碳結(jié)構(gòu)

通過將五邊形石墨烯納米帶兩側(cè)帶有懸掛鍵的碳原子與鄰近的同種原子鍵合，模擬設(shè)計出一種具有正交晶系(orthogonal symmetry)的多孔碳結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的晶胞中含有36個碳原子，因而將其命名為penta-oC36。

該結(jié)構(gòu)中一維通道直徑為8.6 ?，沿晶胞基矢c方向延伸。聲子譜的計算及高溫下的第一性原理分子動力學模擬確認了penta-oC36的動力學穩(wěn)定性和熱學穩(wěn)定性。

圖1. Penta-oC36的模擬設(shè)計.

要點二：Penta-oC36的力學性質(zhì)分析

Penta-oC36的力學性質(zhì)具有顯著的各向異性，晶胞基矢c方向上的楊氏模量大、理想強度高，而在另兩個晶胞基矢方向上楊氏模量小、理想強度低，因此，是一種柔性碳材料。

圖2. Penta-oC36的力學性質(zhì)分析.

要點三：Penta-oC36的電子結(jié)構(gòu)分析

雖然五邊形石墨烯是寬帶隙半導(dǎo)體，但由五邊形石墨烯納米帶所形成的penta-oC36有電子能帶穿越費米能級，表現(xiàn)出金屬性。

這些能帶均在含有沿晶胞基矢c方向晶格動量的布里淵區(qū)高對稱路徑上穿越費米能級，表明penta-oC36的金屬性在晶胞基矢c方向上出現(xiàn)。電子局域函數(shù)ELF的分析發(fā)現(xiàn)，離域電子(ELF = 0.5)通道圍繞三配位的碳原子，形成沿晶胞基矢c方向的離域電子通道。

圖3. Penta-oC36的電子結(jié)構(gòu)分析。

要點四：Penta-oC36用作鈉離子電池負極的性質(zhì)分析

Penta-oC36規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)和內(nèi)秉的金屬導(dǎo)電特性為其在鈉離子電池負極材料的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。計算表明吸附鈉離子的可逆容量高達496.9 mA·h·g-1，是硬碳可逆容量的兩倍，且在鈉離子完全吸附、脫附的情況下平均開路電壓低（0.39 V），可以在避免枝晶產(chǎn)生的同時使得電池具有較高的工作電壓。

在不同的鈉離子濃度下，鈉離子在penta-oC36一維通道中的遷移勢壘均可低至0.01 eV數(shù)量級，表明出鈉離子在penta-oC36中有快速的擴散動力學。

圖4. Penta-oC36用作鈉離子電池負極材料的性能分析。

要點五：前瞻

本工作為設(shè)計和合成以五邊形為結(jié)構(gòu)基元的三維材料提供了新思路和結(jié)構(gòu)模型。2015年由該研究組所提出的五邊形石墨烯[Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, 2372 (2015)]極大地推動了超越石墨烯的二維材料研究，實現(xiàn)了百余年來數(shù)學家所提出的用五邊形堆砌二維平面的數(shù)學模型，并且為由其他元素所構(gòu)成的五邊形二維材料提供了原子結(jié)構(gòu)模型。

迄今為止，人們已發(fā)現(xiàn)了百余種五邊形二維結(jié)構(gòu)，有的已被實驗合成 （參見我們所建的數(shù)據(jù)庫：http://www.pubsd.com）。本研究工作將進一步把五邊形二維結(jié)構(gòu)推進到三維結(jié)構(gòu)，以豐富以五邊形為基元的新型功能材料，這些材料將在電池、催化與微電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

文章鏈接

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