北航AM: 碘烯：一种新型的二维材料

【引言】

当前，原子级厚度的二维（2D）纳米材料因其独特的结构，性能及其广阔的应用前景引起了人们的广泛关注。在各种2D纳米材料中，具有最简单化学组成的单质2D材料由于其非凡的特性成为2D材料家族中的重要组成部分。例如，石墨烯是最具代表性的单质2D材料，它是一种具有高导电率，高杨氏模量和高导热系数的零带隙材料。碘，作为VIIA中典型的卤素元素，是生命中基本的矿物质营养素之一，具有良好的生物相容性和无毒属性，海洋资源丰富且成本低廉，因此，在化学分析，高压物理和生物医学治疗中具有广泛的应用。此外，由于其较高的理论容量（约211 mA h g^-1）和高的工作电压，使得碘是一种非常有前景的正极材料。然而，碘的电导率低且在有机电解质中高溶解度使其存在动力学缓慢，倍率性能差和容量快速衰减等一系列问题。为了解决这些难题，作者提出了少层碘纳米片这一设计，它们具有更短的碱金属离子扩散途径，更多氧化还原活性位点且容易与碳材料进行复合等特性，这将为高性能可充电电池带来可观的应用前景。然而，到目前为止，尚未有关于原子级厚度的碘纳米片合成的报道。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学王华教授、刘利民研究员与郭林教授（共同通讯作者）通过超声液相剥离的方法成功制备了少层碘纳米片（命名为“碘烯”）。碘的层与层之间弱的范德华力提供了将体相碘分离为少层纳米片的机会。具有高纵横比的超薄特性使得少层碘纳米片非常适合于可充电碘基电池的正极材料。由于其独特的2D结构，碘烯与碳材料的复合电极具有出色的电化学性能，尤其是优异的倍率性能。相关研究成果以“Realizing Few-Layer Iodinene for High-Rate Sodium-Ion Batteries”为题发表在Advanced Materials上。北京航空航天大学的硕士研究生钱萌萌和北京计算科学研究中心的博士后徐忠菲，为本文共同第一作者。

【图文导读】

图一 单质碘的原子结构模拟图及碘烯制备过程示意图

图二 碘烯的形貌和结构表征

（a）碘烯的低倍TEM图像。

（b，c）体相碘和碘烯的XRD和XPS谱图。

（d，e）单个碘纳米片的STEM图像及其EDS元素分布图。

（f，g）碘烯的AFM图像和厚度表征。

（h）三层碘纳米片的结构模拟图。

图三 碘烯的储钠电化学性能研究

（a，b）碘烯和体相碘电极的倍率性能比较。

（c）碘烯电极与其他已报道电极材料间的倍率性能对比图。

图四 碘烯的储钠机理和反应动力学研究

（a）碘烯电极在电流密度为0.1 A g^-1的恒电流充放电曲线。

（b）碘烯电极在充放电过程中的非原位拉曼光谱和（c）X射线光电子能谱。

（d，e）在不同扫描速率下，碘烯和体相碘电极的CV曲线。

（f）碘烯电极的对数电流log（i）和对数扫描速率log（v）之间的线性关系。

（g）在不同扫描速率下，碘烯和体相碘的赝电容贡献所占百分比。

图五 体相碘与不同厚度碘烯的第一性原理计算

【小结】

总之，本文首次成功制备了原子级厚度的碘纳米片(约1.0 nm)。它被用作钠离子电池的正极材料，在0.1 A g^-1电流密度下具有241 mA h g^-1的高比容量，并且在10 A g^-1的高倍率下仍然保持109.5 mA h g^-1的高比容量。碘烯的电化学反应动力学研究表明，在充放电过程中，碘烯电极具有快速的氧化还原能力，从而获得高倍率的储钠性能。第一性原理计算结果表明，碘烯独特的2D结构具有沿垂直方向较小的Na⁺扩散能垒，能够提供快速的Na⁺扩散通道，这有利于实现碘烯的高倍率性能。碘烯的成功制备，不仅为2D材料家族增加了新成员，而且有利于丰富碘材料相关的科学、技术与应用。

文献链接：“Realizing Few-Layer Iodinene for High-Rate Sodium-Ion Batteries” (Adv.Mater. DOI: 10.1002/adma.202004835)

本文由微观世界编译供稿。

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