【引言】

當前，北航原子級厚度的碘烯二維（2D）納米材料因其獨特的結構，性能及其廣闊的種新應用前景引起了人們的廣泛關注。在各種2D納米材料中，維材具有最簡單化學組成的料材料牛單質2D材料由于其非凡的特性成為2D材料家族中的重要組成部分。例如，北航石墨烯是碘烯最具代表性的單質2D材料，它是種新一種具有高導電率，高楊氏模量和高導熱系數的維材零帶隙材料。碘，料材料牛作為VIIA中典型的北航鹵素元素，是碘烯生命中基本的礦物質營養素之一，具有良好的種新生物相容性和無毒屬性，海洋資源豐富且成本低廉，維材因此，料材料牛在化學分析，高壓物理和生物醫學治療中具有廣泛的應用。此外，由于其較高的理論容量（約211 mA h g^-1）和高的工作電壓，使得碘是一種非常有前景的正極材料。然而，碘的電導率低且在有機電解質中高溶解度使其存在動力學緩慢，倍率性能差和容量快速衰減等一系列問題。為了解決這些難題，作者提出了少層碘納米片這一設計，它們具有更短的堿金屬離子擴散途徑，更多氧化還原活性位點且容易與碳材料進行復合等特性，這將為高性能可充電電池帶來可觀的應用前景。然而，到目前為止，尚未有關于原子級厚度的碘納米片合成的報道。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學王華教授、劉利民研究員與郭林教授（共同通訊作者）通過超聲液相剝離的方法成功制備了少層碘納米片（命名為“碘烯”）。碘的層與層之間弱的范德華力提供了將體相碘分離為少層納米片的機會。具有高縱橫比的超薄特性使得少層碘納米片非常適合于可充電碘基電池的正極材料。由于其獨特的2D結構，碘烯與碳材料的復合電極具有出色的電化學性能，尤其是優異的倍率性能。相關研究成果以“Realizing Few-Layer Iodinene for High-Rate Sodium-Ion Batteries”為題發表在Advanced Materials上。北京航空航天大學的碩士研究生錢萌萌和北京計算科學研究中心的博士后徐忠菲，為本文共同第一作者。

【圖文導讀】

圖一單質碘的原子結構模擬圖及碘烯制備過程示意圖

?

圖二碘烯的形貌和結構表征

?

（a）碘烯的低倍TEM圖像。

（b，c）體相碘和碘烯的XRD和XPS譜圖。

（d，e）單個碘納米片的STEM圖像及其EDS元素分布圖。

（f，g）碘烯的AFM圖像和厚度表征。

（h）三層碘納米片的結構模擬圖。

圖三碘烯的儲鈉電化學性能研究

（a，b）碘烯和體相碘電極的倍率性能比較。

（c）碘烯電極與其他已報道電極材料間的倍率性能對比圖。

圖四碘烯的儲鈉機理和反應動力學研究

（a）碘烯電極在電流密度為0.1 A g^-1的恒電流充放電曲線。

（b）碘烯電極在充放電過程中的非原位拉曼光譜和（c）X射線光電子能譜。

（d，e）在不同掃描速率下，碘烯和體相碘電極的CV曲線。

（f）碘烯電極的對數電流log（i）和對數掃描速率log（v）之間的線性關系。

（g）在不同掃描速率下，碘烯和體相碘的贗電容貢獻所占百分比。

圖五體相碘與不同厚度碘烯的第一性原理計算

?

【小結】

總之，本文首次成功制備了原子級厚度的碘納米片(約1.0 nm)。它被用作鈉離子電池的正極材料，在0.1 A g^-1電流密度下具有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。碘烯的電化學反應動力學研究表明，在充放電過程中，碘烯電極具有快速的氧化還原能力，從而獲得高倍率的儲鈉性能。第一性原理計算結果表明，碘烯獨特的2D結構具有沿垂直方向較小的Na⁺擴散能壘，能夠提供快速的Na⁺擴散通道，這有利于實現碘烯的高倍率性能。碘烯的成功制備，不僅為2D材料家族增加了新成員，而且有利于豐富碘材料相關的科學、技術與應用。

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

本文由微觀世界編譯供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip 。