劉忠范(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京100871)

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碳材料具有豐富的結(jié)構(gòu)構(gòu)型、奇特的電子結(jié)構(gòu)和非凡的物理性質(zhì)。比如，單質(zhì)碳的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和剪裁提供了便利，因此碳材料用作高性能超級(jí)電容器的電極材料被寄予厚望。

超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有應(yīng)用前景，具有高功率密度、充電時(shí)間短、長(zhǎng)壽命和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。然而，過低的能量密度導(dǎo)致電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程短，這主要受限于電極材料的儲(chǔ)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(fā)高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命的高效儲(chǔ)能新型電極材料。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、北京大學(xué)與美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)合作研究，黃富強(qiáng)研究員、陳一葦教授、林天全博士等設(shè)計(jì)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(dá)到98%，厚度少于5個(gè)原子層，比表面積達(dá)到1580 m2?g－1。經(jīng)原位氮摻雜后該電極材料在酸性電解液中比容量達(dá)到855 F?g－1，這項(xiàng)研究結(jié)果已在Science上發(fā)表3。

圖1　氮摻雜有序介孔少層碳電極材料及其電化學(xué)特性

此項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，摻雜氮的結(jié)構(gòu)(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(xué)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(gè)電子的轉(zhuǎn)移過程(圖1d)。研究還發(fā)現(xiàn)，介孔少層碳材料的循環(huán)伏安曲線含有明顯的氧化還原峰，當(dāng)組裝成對(duì)稱性器件時(shí)，電容量有大量的損失~20%；然而含有多對(duì)氧化還原反應(yīng)的復(fù)合電極材料的循環(huán)伏安曲線調(diào)至接近矩形時(shí)(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(dá)26 kW?kg－1(二次電池：<0.5 kW?kg－1)，循環(huán)50000次的容量保持率80%(圖1(e,f))。該項(xiàng)研究將為設(shè)計(jì)高電化學(xué)活性的電極材料，獲得兼具高能量密度、高功率密度和長(zhǎng)壽命的高效儲(chǔ)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

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10.3866/PKU.WHXB201603243