Lithium-ionbatterijen bevatten meestal grafietkoolstoffen als anodematerialen. Wetenschappers hebben de carbonische nanoweb graphdiyne onderzocht als een nieuw tweedimensionaal koolstofnetwerk vanwege zijn geschiktheid in batterijtoepassingen. Graphdiyne is zo plat en dun als grafeen, wat de één-atomaire-laag-dunne versie van grafiet is, maar het heeft een hogere porositeit en instelbare elektronische eigenschappen. In het journaal Angewandte Chemie , onderzoekers beschrijven de eenvoudige bottom-up synthese van op maat gemaakte precursormoleculen.

Koolstofmaterialen zijn de meest voorkomende anodematerialen in lithium-ionbatterijen. Dankzij hun gelaagde structuur kunnen lithiumionen tijdens het fietsen in en uit de ruimtes tussen de lagen reizen, ze hebben een sterk geleidend tweedimensionaal hexagonaal kristalrooster, en ze vormen een stal, poreus netwerk voor efficiënte elektrolytpenetratie. Echter, de fijnafstemming van de structurele en elektrochemische eigenschappen is moeilijk omdat deze koolstofmaterialen meestal worden bereid uit polymeer koolstofmateriaal in een top-down synthese.

Graphdiyne is een hybride tweedimensionaal netwerk gemaakt van zeshoekige koolstofringen die worden overbrugd door twee acetyleeneenheden (de "diyne" in de naam). Graphdiyne is voorgesteld als een nanowebmembraan voor de scheiding van isotopen of helium. Echter, zijn duidelijke elektronische eigenschappen en webachtige structuur maken graphdiyne ook geschikt voor elektrochemische toepassingen. Changshui Huang van de Chinese Academie van Wetenschappen, Peking, en collega's hebben de lithiumopslagmogelijkheden en elektrochemische eigenschappen van op maat gemaakte, elektronisch aangepaste graphdiyne-derivaten.

De wetenschappers synthetiseerden de graphdiyne-derivaten in een bottom-upstrategie door precursormoleculen toe te voegen aan een koperfolie, die zichzelf organiseerde om geordende gelaagde nanostructuren te vormen. Met behulp van monomeren met functionele groepen met interessante elektronische eigenschappen, de auteurs hebben functionele graphdiynes gemaakt met verschillende elektrochemische en morfologische eigenschappen.

Onder deze functionele groepen, degenen die elektronenzuigende effecten uitoefenen, verminderden de bandafstand van graphdiyne en verhoogden de geleidbaarheid ervan, meldden de auteurs. De cyanogroep was bijzonder effectief en, bij gebruik als anodisch materiaal, de met cyaan gemodificeerde graphdiyne vertoonde een uitstekende lithiumopslagcapaciteit en was stabiel gedurende duizenden cycli, zoals de auteurs meldden.

In tegenstelling tot, toen graphdiyne werd gemodificeerd met omvangrijke functionele groepen (methylgroepen) die elektronen doneren aan het graphdiyne-netwerk, de auteurs observeerden een grotere laagafstand, waardoor de materiaalstructuur onstabiel werd, zodat de anode slechts enkele laad- en ontlaadcycli overleefde. De auteurs vergeleken beide gemodificeerde graphdiyne-materialen ook met een "lege" versie waarbij alleen waterstof de positie van de functionele groepen in het netwerk innam.

De auteurs concluderen dat gemodificeerde graphdiyne kan worden voorbereid door een bottom-upstrategie, die ook het meest geschikt is om functionele tweedimensionale koolstofmateriaalarchitecturen voor batterijen te bouwen, condensatoren, en andere elektrokatalytische apparaten.