Synthese an der Wasseroberfläche von Vinylen‐Verbundenen Kationischen Zwei‐Dimensionalen Polymerfilmen als Beschichtung für Anion‐Selektive Elektroden

• Published in: Angewandte Chemie Vol. 136; no. 24
• Main Authors: Yang, Ye, Sabaghi, Davood, Liu, Chang, Dianat, Arezoo, Mücke, David, Qi, Haoyuan, Liu, Yannan, Hambsch, Mike, Xu, Zhi‐Kang, Yu, Minghao, Cuniberti, Gianaurelio, Mannsfeld, Stefan C. B., Kaiser, Ute, Dong, Renhao, Wang, Zhiyong, Feng, Xinliang
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 10.06.2024
• Subjects: Elektroden Beschicktung; Grenzflächen Chemie; Selektiver Iontransport; Vinylen-verbundene 2DP Filme; Zwei-Ionen Batterien
• ISSN: 0044-8249; 1521-3757
• DOI: 10.1002/ange.202316299

Vinylen verbrückte zwei‐dimensionale Polymere (V‐2DPs) und deren schichtgestapelten kovalent organische Gerüstverbindungen (V‐2D COFs) zeichnen sich durch ihre hohe π‐Konjugation in der Ebene und ihre robuste Struktur als vielversprechnende Kanidaten für energiebezogene Anwendungen aus. Allerdings sind derzeitige syntheisische Ansätze auf die Herstellung von V‐2D COF Pulver beschränkt, welche schlecht prozessierbar sind, was die Integration in Geräte, insbesondere für Membranthechnologien, welche auf dünnen Filmen beruhen erschwert. Im folgenden berichten wir über die neu‐artige Synthese von kationischen 2DPs‐Filmen an der Wasseroberfläche, die über Vinyleneinheiten verbrückt sind (V‐C2DP‐1 und V‐C2DP‐2) mittels Knoevenagel‐Polykondensation, diese dienen als anionenselektive Elektrodenbeschichtung für hochreversible und langlebige Zink‐basierte Dual‐Ionen‐Batterien (ZDIBs). Modellreaktionen und theoretische Modellierung zeigen eine erhöte Reaktivität und Reversibilität der Knoevenagel‐Reaktion an der Wasseroberfläche an. Basierend darauf zeigten wir die 2D Polykondensation hin zu V‐C2DP‐Filmen an der Wasseroberfläche, welche eine weitreichen‐de laterale Größe, anpassbare Dicke und hohe chemischer Stabilität besitzen. Repräsentativ zeigt sich V‐C2DP‐1 als ein vollständig crystalliner und flächen‐orientierter Film mit den in der Ebene liegenden Gitterparametern von a=b≈43.3 Å. Dank der gut definierten katinoischen Funktionalitäten, orientierten 1D‐Kanälen und des sabilen Gerüstes besitzt der V‐C2DP‐1 Film eine herausragende Transportselektivität von Bis(trifluormethansulfon)imid‐anion (TFSI−) (Transferrate, t =0.85) für die Graphitkathode in Hochspannungs‐ZDIBs. Die hohe Selektivität führt zu zusätzlichen TFSI−‐Intercalationsstufen wodurch eine höhere spezifischen Kapazität (von ~83 bis 124 mAh g−1), sowie Zyklusdauer (>1000 Zyklen, 95 % Kapazitätserhaltung) gefördert wird. Zwei vinylene verbrückte kationische 2DPs (V‐C2DPs), welche an der Wasseroberfläche durch die Knoevenagel Reaktion hergestellt wurden, präsentieren sich als völlig kristallin und die dünnen Filme besitzen eine hohe Orientierung. Die erhaltenen V‐C2DPs besitzen definierte kationische Einheiten und 1D Tunnel, welche den anionselektiven Transport fördern. Die Integration von V‐C2DPs als Graphit‐Kathodenbeschichtungen in zinkbasierten Dual‐Ionen‐Batterien (ZDIBs) ermöglicht eine Verbesserung ihrer spezifischen Kapazität und Zyklenlebensdauer.