近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱彥武課題組利用富勒烯作為前驅(qū)體開發(fā)設(shè)計(jì)了一種具有優(yōu)異儲能性能的摻氮多孔碳。該研究成果發(fā)表在12月19日出版的《先進(jìn)材料》。

由于其高比表面積和大量的反應(yīng)活性位點(diǎn)，摻氮多孔碳材料作為電化學(xué)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(guān)注，但是氮摻雜形式控制一直是一個(gè)難點(diǎn)。

朱彥武團(tuán)隊(duì)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(yōu)異的超級電容器碳電極材料。基于前期工作基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)通過活化具有確定尺寸和結(jié)構(gòu)的納米碳單元——富勒烯，得到了具有良好導(dǎo)電性并兼具高比表面積的多孔碳。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用比較高比例的氫氧化鉀進(jìn)行處理時(shí)，劇烈的活化過程可以打破富勒烯分子，得到碳量子點(diǎn)。當(dāng)對這一過程進(jìn)一步優(yōu)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(huán)和六元環(huán)碳結(jié)構(gòu)，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(jì)算結(jié)果表明，由于五元環(huán)造成的曲率結(jié)構(gòu)對鋰離子的吸附能力相對于石墨烯平面結(jié)構(gòu)更大，同時(shí)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?fù)淙毕菔蛊潴w現(xiàn)出優(yōu)良倍率性能。

該材料作為鋰離子電池的負(fù)極材料時(shí)，其可逆容量在100mA/g的電流下達(dá)到了1900mAh/g，在2A/g的電流下循環(huán)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(yōu)異儲能性能的摻氮多孔碳材料，同時(shí)也提供了一種可控?fù)降w系可供研究碳材料在其他領(lǐng)域例如催化中的應(yīng)用和機(jī)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、自然科學(xué)基金委、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、同步輻射聯(lián)合基金等經(jīng)費(fèi)的支持。