中國科大設計出一種儲能性能優異的摻氮多孔碳材料

　　近日，中國科學技術大學教授朱彥武課題組利用富勒烯作為前驅體開發設計了一種具有優異儲能性能的摻氮多孔碳。該研究成果發表在12月19日出版的《先進材料》（Advanced Materials）上（DOI:10.1002/adma.201603414）。

　　由于其高比表面積和大量的反應活性位點，摻氮多孔碳材料作為電化學儲能材料如鋰離子電池和超級電容器的電極材料及催化劑材料得到了廣泛關注，但是氮摻雜形式控制一直是一個難點。

　　朱彥武團隊前期通過氫氧化鉀活化微波剝離的氧化石墨烯，制備出性能優異的超級電容器碳電極材料。基于前期工作基礎，該團隊通過活化具有確定尺寸和結構的納米碳單元——富勒烯，得到了具有良好導電性并兼具高比表面積的多孔碳。實驗發現，當使用比較高比例的氫氧化鉀進行處理時，劇烈的活化過程可以打破富勒烯分子，得到碳量子點。當對這一過程進一步優化，并在活化過程中通入氨氣，可制備出不同摻氮量的摻氮多孔碳。由于富勒烯本身兼具五元環和六元環碳結構，最后制備出的摻氮多孔碳中氮的主要形式為吡啶氮和吡咯氮，而且其中吡咯氮為主要成分。計算結果表明，由于五元環造成的曲率結構對鋰離子的吸附能力相對于石墨烯平面結構更大，同時吡咯氮和吡啶氮特別是吡咯氮大大增加了對鋰離子的吸附能力。材料的高比表面積和大量拓撲缺陷使其體現出優良倍率性能。

　　該材料作為鋰離子電池的負極材料時，其可逆容量在100mA/g的電流下達到了1900mAh/g，在2A/g的電流下循環800圈后依然保持了600mAh/g的可逆容量。該研究不僅得到了一種新的具有優異儲能性能的摻氮多孔碳材料，同時也提供了一種可控摻氮體系可供研究碳材料在其他領域例如催化中的應用和機制。

　　論文第一作者為博士研究生談紫琪和倪堃。該研究工作得到了青年千人計劃、自然科學基金委、能源材料化學協同創新中心、同步輻射聯合基金等經費的支持。

　　中國科大設計出一種儲能性能優異的摻氮多孔碳材料