[发明专利]二维材料的自由基阴离子官能化

说明书

提出一种二维(2D)层状材料的基于自由基阴离子的官能化。2D材料的基面利用电荷中性自由基进行的共价官能化对于还原通常是不稳定的，导致在还原时官能团会从所述基面脱离。此不稳定性阻碍官能化2D材料用作可再充电电活性物质，除非所述官能团结合到所述2D材料的边缘。然而，为了在不产生许多边缘和缺陷的情况下实现高容量，需要所述基面在还原状态下的稳定官能化。这个目标可通过自由基阴离子官能化来实现，借此产生所述基面官能化2D材料的还原/放电状态。所述自由基阴离子官能化的产物可作为阴极活性材料、固体电解质或聚合物复合物的部分的放电状态。

交叉参考

在法律允许的范围内，本申请案充分受益于卡洛里·内梅斯(Karoly Nemeth)在2019年3月4日申请的标题为“通过相关盐的热裂解合成氧卤化硼和氧卤化铝官能化二维材料(Synthesis of Oxy-Borohalide and Oxy-Aluminohalide Functionalized Two-Dimensional Materials by Thermal Splitting of Related Salts)”的美国临时专利申请案62/813276。

技术领域

本发明涉及六方氮化硼(h-BN)和石墨烯与氧硼卤化物(-OBX₁X₂X₃)和氧铝卤化物(-OAlX₁X₂X₃)官能团的共价官能化，其中X选自卤素元素F、Cl、Br、I的群组。此外，本发明还涉及二维材料的一般自由基阴离子官能化。

附图说明

图1A和1B分别从透视和侧视视角展示Li[(BN)₂OBF₃]的原子结构。此结构表示六方氮化硼(h-BN)表面上的-OBF₃^-自由基阴离子与Li⁺阳离子的最大堆积密度。组成原子由下列数字表示：芴(1)、官能团的硼(2)、氧(3)、h-BN的硼(4)、氮(5)和锂(6)。h-BN的每第二个硼原子以-OBF₃^-自由基阴离子共价官能化。Li⁺阳离子是表面上的孤立球体。h-BN衬底位于中心平面中。-OBF₃^-自由基阴离子通过这些阴离子自由基的氧原子与h-BN的硼原子共价键合，而阴离子自由基本身具有近似四面体的结构。此原子结构表示[(BN)₂OBF₃]正极电活性物质的放电状态，且具有离子导电性及电子导电性两者。注意，以降低电子导电性为代价，可增加放电容量。钠(Na⁺)或镁(Mg²⁺)阳离子将形成与[(BN)₂OBF₃]类似的结构，如K·内梅斯在《理论化学述评》(2018年)第137到157页的“六方氮化硼的同时氧和三氟化硼官能化：储能的设计者阴极材料”中描述。

背景技术