氮掺杂有序介孔少层碳：一种新型高比电容电极材料

刘忠范(北京大学化学与分子工程学院，北京大学纳米化学研究中心，北京100871)

氮掺杂有序介孔少层碳：一种新型高比电容电极材料

刘忠范
(北京大学化学与分子工程学院，北京大学纳米化学研究中心，北京100871)

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碳材料具有丰富的结构构型、奇特的电子结构和非凡的物理性质。比如，单质碳的结构构型包括三维的金刚石、二维的石墨烯、一维的纳米碳管、零维的富勒烯球；其导电性能迥异，禁带宽度从金刚石的Eg=5.47 eV、C60的Eg=1.5 eV、半导型碳纳米管的Eg>0 eV和金属型Eg=0 eV、到石墨或石墨烯的0 eV。这些特征为碳材料结构的设计和剪裁提供了便利，因此碳材料用作高性能超级电容器的电极材料被寄予厚望。

超级电容器在电动汽车等领域有应用前景，具有高功率密度、充电时间短、长寿命和安全可靠等优点。然而，过低的能量密度导致电动车续航里程短，这主要受限于电极材料的储电性能。目前电极以碳材料为主，比容量低于300 F∙g－11,2。因此，亟需开发高能量密度、高功率密度、长寿命的高效储能新型电极材料。中国科学院上海硅酸盐研究所、北京大学与美国宾夕法尼亚大学合作研究，黄富强研究员、陈一苇教授、林天全博士等设计合成了一种有序介孔少层碳的新型材料(图1a)，其碳的sp2杂化程度达到98%，厚度少于5个原子层，比表面积达到1580 m2∙g－1。经原位氮掺杂后该电极材料在酸性电解液中比容量达到855 F∙g－1，这项研究结果已在Science上发表3。

图1　氮掺杂有序介孔少层碳电极材料及其电化学特性

此项研究发现，掺杂氮的结构(图1b)可以决定电容量的大小，也可影响氧化还原电位的位置；吡啶型和吡咯型氮的电化学活性高于石墨型的氮(图1c)；氮掺杂的介孔石墨烯与酸性电解液之间是单个电子的转移过程(图1d)。研究还发现，介孔少层碳材料的循环伏安曲线含有明显的氧化还原峰，当组装成对称性器件时，电容量有大量的损失~20%；然而含有多对氧化还原反应的复合电极材料的循环伏安曲线调至接近矩形时(图1c)，电容量的损失只有2%。在2 mol∙L－1Li2SO4溶液中器件的工作电压为1.6 V，能量密度为41 Wh∙kg－1，功率密度达26 kW∙kg－1(二次电池：<0.5 kW∙kg－1)，循环50000次的容量保持率80%(图1(e,f))。该项研究将为设计高电化学活性的电极材料，获得兼具高能量密度、高功率密度和长寿命的高效储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