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新型碳氮材料的储能应用与空间限域的自催化制备研究获进展

    最近,中国科学院上海硅酸盐研究所与浙江大学、北京大学等合作,成功制备出一种新型导电碳氮化合物。该材料具有丰富介孔和微孔结构,氮含量高达~15 at%,优异导电性为>2S cm−1,在应用于超级电容器电极材料中表现出优异的倍率性能和循环稳定性,比容量高达372 F g−1,远高于商用活性炭材料(<250 F g−1)。该研究成果以Conductive Carbon Nitride for Excellent Energy Storage 为题发表于6月19日的国际期刊《先进材料》(Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.201701674),上海硅酸盐所与浙江大学联合培养研究生徐吉健和上海硅酸盐所研究生许峰为共同第一作者,上海硅酸盐所研究员黄富强为通讯作者。

  高品质的现代生活需要极为便利的电子产品,如急需能使电动车跑得远、手机待机时间长的快速充电的高效化学电源。当前商用的先进储能器件主要包括锂离子电池和超级电容器,前者具有高能量密度的特点,后者具有高功率密度的特点。然而却均无法满足“双高”应用的迫切要求。突破此“双高”瓶颈的关键在于研制出表层极高赝电容反应的全新电极材料。碳基材料广泛应用于锂离子电池和超级电容器,仍被视为最具发展潜力的“双高”电极材料,相关最新进展已成为国际研发的关注点。

  对于“双高”新型碳基电极材料而言,近几年来形成的共识为兼具高氮含量、高比表面积以及高导电率。掺杂的氮原子引入了基于氧化还原反应的有效赝电容,高比表面积保证了大量的双电层电容,而高导电率则确保优异倍率的电荷转移。常见石墨烯具有高电子导电率,却难以实现高氮含量而严重缺乏氧化还原活性位点。类石墨烯的碳氮材料g-C3N4具有极高的氮含量~57%,然而其高禁带宽度(~2.7 eV)会导致极差的电子运输能力。因此,制备出兼具高氮含量、高导电率以及高比表面积的新型导电碳氮化合物是一个挑战。

  研究人员通过空间限域自催化反应设计,制备出新型的导电碳氮化合物。在空间限域反应中,独特的氢氰氨镍前驱体分解产生金属镍作为导电sp2碳生长的催化剂,以及×N=C=N× 或NºC-CºN基团作为碳源和氮源。同时,氢氰氨镍中的Ni-N键有利于氮原子的稳定存在。高的热处理温度可提高导电率,却会降低氮含量。因而通过调节反应温度,可以进一步平衡氮含量和导电率。在800°C条件下,碳sp2杂化程度达60%从而具有2.3 S cm−1的导电率,氮含量高达15 at%,尤其是具有电化学活性的吡啶氮和吡咯氮高达9 at %和5 at %。这种简单易规模化生产的方法极具产业应用价值,同时也为设计和合成其它新型储能材料提供了一种新的思路。

  该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会和中科院主要研究项目的支持。


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