新型碳氮材料的儲能應(yīng)用與空間限域的自催化制備研究獲進(jìn)展

　　最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與浙江大學(xué)、北京大學(xué)等合作，成功制備出一種新型導(dǎo)電碳氮化合物。該材料具有豐富介孔和微孔結(jié)構(gòu)，氮含量高達(dá)~15 at%，優(yōu)異導(dǎo)電性為>2S cm−1，在應(yīng)用于超級電容器電極材料中表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，比容量高達(dá)372 F g−1，遠(yuǎn)高于商用活性炭材料（<250 F g−1）。該研究成果以Conductive Carbon Nitride for Excellent Energy Storage 為題發(fā)表于6月19日的國際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201701674），上海硅酸鹽所與浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生徐吉健和上海硅酸鹽所研究生許峰為共同第一作者，上海硅酸鹽所研究員黃富強(qiáng)為通訊作者。

　　高品質(zhì)的現(xiàn)代生活需要極為便利的電子產(chǎn)品，如急需能使電動車跑得遠(yuǎn)、手機(jī)待機(jī)時(shí)間長的快速充電的高效化學(xué)電源。當(dāng)前商用的先進(jìn)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(diǎn)，后者具有高功率密度的特點(diǎn)。然而卻均無法滿足“雙高”應(yīng)用的迫切要求。突破此“雙高”瓶頸的關(guān)鍵在于研制出表層極高贗電容反應(yīng)的全新電極材料。碳基材料廣泛應(yīng)用于鋰離子電池和超級電容器，仍被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ?ldquo;雙高”電極材料，相關(guān)最新進(jìn)展已成為國際研發(fā)的關(guān)注點(diǎn)。

　　對于“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(dǎo)電率。摻雜的氮原子引入了基于氧化還原反應(yīng)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(dǎo)電率則確保優(yōu)異倍率的電荷轉(zhuǎn)移。常見石墨烯具有高電子導(dǎo)電率，卻難以實(shí)現(xiàn)高氮含量而嚴(yán)重缺乏氧化還原活性位點(diǎn)。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(dǎo)致極差的電子運(yùn)輸能力。因此，制備出兼具高氮含量、高導(dǎo)電率以及高比表面積的新型導(dǎo)電碳氮化合物是一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　研究人員通過空間限域自催化反應(yīng)設(shè)計(jì)，制備出新型的導(dǎo)電碳氮化合物。在空間限域反應(yīng)中，獨(dú)特的氫氰氨鎳前驅(qū)體分解產(chǎn)生金屬鎳作為導(dǎo)電sp2碳生長的催化劑，以及×N=C=N× 或NºC-CºN基團(tuán)作為碳源和氮源。同時(shí)，氫氰氨鎳中的Ni-N鍵有利于氮原子的穩(wěn)定存在。高的熱處理溫度可提高導(dǎo)電率，卻會降低氮含量。因而通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，可以進(jìn)一步平衡氮含量和導(dǎo)電率。在800°C條件下，碳sp2雜化程度達(dá)60%從而具有2.3 S cm−1的導(dǎo)電率，氮含量高達(dá)15 at%，尤其是具有電化學(xué)活性的吡啶氮和吡咯氮高達(dá)9 at %和5 at %。這種簡單易規(guī)模化生產(chǎn)的方法極具產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為設(shè)計(jì)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會、上海市科學(xué)技術(shù)委員會和中科院主要研究項(xiàng)目的支持。

功率密度與能量密度對數(shù)關(guān)系 

超級電容器性能 

導(dǎo)電碳氮化合物制備示意圖，透射電鏡表征以及元素分布圖