新型碳氮材料的储能应用与空间限域的自催化制备

高品质的现代生活需要极其便利的电子产品，急需电动车跑得远、手机待机时间长的快速充电高效化学电源。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，发现表层极高赝电容反应的全新电极材料。广泛应用于锂离子电池和超级电容器的碳基材料，仍然视为最具发展潜力的“双高”电极材料，由此发展成为国际研发的关注点。

功率密度与能量密度对数关系图

就“双高”新型碳基电极材料而言，近几年形成的共识为：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，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%，然而高禁带宽度～2.7 eV导致极差的电子运输能力。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在制备方面成为挑战。

新材料的设计与制备是材料科学家的“点金之术”，最近中国科学院上海硅酸盐研究所、浙江大学、北京大学等进行合作研究，第一作者徐吉健、通讯作者黄富强教授（点击查看介绍）等共同提出了通过空间限域自催化反应进行设计，制备出一种新型的导电碳氮化合物。该材料具有丰富的介孔和微孔结构，氮含量高达～15 at%、优异的导电性>2 S•cm⁻¹。该导电碳氮化合物应用于超级电容器电极材料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）。

超级电容器性能图

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，N=C=N或N≡C-C≡N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。高热处理温度可提高导电率，但与此同时会降低氮含量，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 ℃条件下，碳sp²杂化程度达到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他新型储能材料提供了一种新的思路。

导电碳氮化合物制备示意图、透射电镜表征以及元素分布图

该研究成果发表于国际顶级材料科学期刊Advanced Materials 上，中国科学院硅酸盐研究所和浙江大学研究生徐吉健/许峰为共同第一作者，黄富强教授为通讯作者。该项目得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会和中国科学院主要研究项目的支持。

该论文作者为：Jijian Xu, Feng Xu, Meng Qian, Fangfang Xu, Zhanglian Hong, Fuqiang Huang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Conductive Carbon Nitride for Excellent Energy Storage

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701674

导师介绍

黄富强

http://www.x-mol.com/university/faculty/16246