新型碳氮材料的儲能應用與空間限域的自催化製備研究獲進展

最新 06-29

最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所與浙江大學、北京大學等合作，成功製備出一種新型導電碳氮化合物。該材料具有豐富介孔和微孔結構，氮含量高達~15 at%，優異導電性為>2S cm?1，在應用於超級電容器電極材料中表現出優異的倍率性能和循環穩定性，比容量高達372F g?1，遠高於商用活性炭材料（

高品質的現代生活需要極為便利的電子產品，如急需能使電動車跑得遠、手機待機時間長的快速充電的高效化學電源。當前商用的先進儲能器件主要包括鋰離子電池和超級電容器，前者具有高能量密度的特點，後者具有高功率密度的特點。然而卻均無法滿足「雙高」應用的迫切要求。突破此「雙高」瓶頸的關鍵在於研製出表層極高贗電容反應的全新電極材料。碳基材料廣泛應用於鋰離子電池和超級電容器，仍被視為最具發展潛力的「雙高」電極材料，相關最新進展已成為國際研發的關注點。

對於「雙高」新型碳基電極材料而言，近幾年來形成的共識為兼具高氮含量、高比表面積以及高導電率。摻雜的氮原子引入了基於氧化還原反應的有效贗電容，高比表面積保證了大量的雙電層電容，而高導電率則確保優異倍率的電荷轉移。常見石墨烯具有高電子導電率，卻難以實現高氮含量而嚴重缺乏氧化還原活性位點。類石墨烯的碳氮材料g-C3N4具有極高的氮含量~57%，然而其高禁帶寬度（~2.7 eV）會導致極差的電子運輸能力。因此，製備出兼具高氮含量、高導電率以及高比表面積的新型導電碳氮化合物是一個挑戰。

研究人員通過空間限域自催化反應設計，製備出新型的導電碳氮化合物。在空間限域反應中，獨特的氫氰氨鎳前驅體分解產生金屬鎳作為導電sp2碳生長的催化劑，以及×N=C=N× 或NoC-CoN基團作為碳源和氮源。同時，氫氰氨鎳中的Ni-N鍵有利於氮原子的穩定存在。高的熱處理溫度可提高導電率，卻會降低氮含量。因而通過調節反應溫度，可以進一步平衡氮含量和導電率。在800°C條件下，碳sp2雜化程度達60%從而具有2.3 S cm?1的導電率，氮含量高達15 at%，尤其是具有電化學活性的吡啶氮和吡咯氮高達9 at %和5 at %。這種簡單易規模化生產的方法極具產業應用價值，同時也為設計和合成其它新型儲能材料提供了一種新的思路。

該研究獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、上海市科學技術委員會和中科院主要研究項目的支持。