N摻雜多孔碳材料研究進展

余正發，王旭珍，2，劉 寧，劉 洋

（1 大連理工大學化工與環境生命學部化學學院，遼寧 大連116024；2 中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室，山西 太原030001）

多孔碳材料由于具有表面化學惰性、高機械穩定性、良好的導電性以及大的比表面積和孔體積等特點，在CO2吸附[1-3]、催化[4]、儲氫[5]以及電化學雙電層電容器[6]和燃料電池[7]等領域顯示出巨大的應用潛力。自1999年韓國Ryoo 等[8]使用MCM-48介孔二氧化硅為硬模板、蔗糖為碳源首次合成高度有序碳分子篩以來，各國研究者對多孔碳材料已產生了廣泛的興趣，并使用不同的模板及碳源制備了具有各種孔徑及結構的多孔碳材料。Hyeon 等[9]和王愛平等[10]詳細綜述了包括微孔、介孔及大孔碳材料的合成。然而，純碳材料親水性較差，在一定程度上限制了其在各領域的應用。氮原子在元素周期表中處于碳原子相鄰位置，可取代碳材料中的碳原子。在碳納米材料中摻雜N 原子可以極大地改變材料的表面結構、調變其孔道結構、增強其親水性、影響材料表面pKa值、改善材料的電子傳輸速率[11]，從而擴大碳納米材料在各領域的應用范圍。

在碳材料中摻雜N 原子后，N 原子的摻雜在六邊形碳網絡中產生局部張力，導致結構變形[12]，并且由于N 原子額外的孤對電子可以帶給sp2雜化碳骨架離域π系統負電荷，從而增強電子傳輸特性及化學反應活性[13]；在碳材料中摻雜富電子的N 原子可以改變材料的能帶結構——使材料的價帶降低，增強材料的化學穩定性及增加費米能級上的電子密度[14]。……