氮摻雜有序介孔少層碳：一種新型高比電容電極材料

劉忠范(北京大學化學與分子工程學院，北京大學納米化學研究中心，北京100871)

氮摻雜有序介孔少層碳：一種新型高比電容電極材料

劉忠范
(北京大學化學與分子工程學院，北京大學納米化學研究中心，北京100871)

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碳材料具有豐富的結構構型、奇特的電子結構和非凡的物理性質。比如，單質碳的結構構型包括三維的金剛石、二維的石墨烯、一維的納米碳管、零維的富勒烯球；其導電性能迥異，禁帶寬度從金剛石的Eg=5.47 eV、C60的Eg=1.5 eV、半導型碳納米管的Eg>0 eV和金屬型Eg=0 eV、到石墨或石墨烯的0 eV。這些特征為碳材料結構的設計和剪裁提供了便利，因此碳材料用作高性能超級電容器的電極材料被寄予厚望。

超級電容器在電動汽車等領域有應用前景，具有高功率密度、充電時間短、長壽命和安全可靠等優點。然而，過低的能量密度導致電動車續航里程短，這主要受限于電極材料的儲電性能。目前電極以碳材料為主，比容量低于300 F?g－11,2。因此，亟需開發高能量密度、高功率密度、長壽命的高效儲能新型電極材料。中國科學院上海硅酸鹽研究所、北京大學與美國賓夕法尼亞大學合作研究，黃富強研究員、陳一葦教授、林天全博士等設計合成了一種有序介孔少層碳的新型材料(圖1a)，其碳的sp2雜化程度達到98%，厚度少于5個原子層，比表面積達到1580 m2?g－1。經原位氮摻雜后該電極材料在酸性電解液中比容量達到855 F?g－1，這項研究結果已在Science上發表3。

圖1　氮摻雜有序介孔少層碳電極材料及其電化學特性

此項研究發現，摻雜氮的結構(圖1b)可以決定電容量的大小，也可影響氧化還原電位的位置；吡啶型和吡咯型氮的電化學活性高于石墨型的氮(圖1c)；氮摻雜的介孔石墨烯與酸性電解液之間是單個電子的轉移過程(圖1d)。研究還發現，介孔少層碳材料的循環伏安曲線含有明顯的氧化還原峰，當組裝成對稱性器件時，電容量有大量的損失~20%；然而含有多對氧化還原反應的復合電極材料的循環伏安曲線調至接近矩形時(圖1c)，電容量的損失只有2%。在2 mol?L－1Li2SO4溶液中器件的工作電壓為1.6 V，能量密度為41 Wh?kg－1，功率密度達26 kW?kg－1(二次電池：<0.5 kW?kg－1)，循環50000次的容量保持率80%(圖1(e,f))。該項研究將為設計高電化學活性的電極材料，獲得兼具高能量密度、高功率密度和長壽命的高效儲能器件提供新的思路。

References

(1)Burke,A.F.Advanced Batteries for VehicleApplications.In Encyclopedia of Automotive Engineering;John Wiley&Sons, Ltd.:Hoboken,N.J.,2014.

(2)Simon,P.;Gogotsi,Y.Nat.Mater.2008,7,845.doi:10.1038/ nmat2297

(3)Lin,T.Q.;Chen,I.W.;Liu,F.X.;Yang,C.Y.;Bi,H.;Xu,F.F.; Huang,F.Q.Science 2015,350,1508.doi:10.1126/science. aab3798

10.3866/PKU.WHXB201603243