中國儲能網訊：最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所與浙江大學、北京大學等合作，成功制備出一種新型導電碳氮化合物。該材料具有豐富介孔和微孔結構，氮含量高達~15 at%，優(yōu)異導電性為>2S cm?1，在應用于超級電容器電極材料中表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，比容量高達372 F g?1，遠高于商用活性炭材料（<250 F g?1）。該研究成果以Conductive Carbon Nitride for Excellent Energy Storage為題發(fā)表于6月19日的國際期刊《先進材料》（Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201701674），上海硅酸鹽所與浙江大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生徐吉健和上海硅酸鹽所研究生許峰為共同第一作者，上海硅酸鹽所研究員黃富強為通訊作者。
高品質的現(xiàn)代生活需要極為便利的電子產品，如急需能使電動車跑得遠、手機待機時間長的快速充電的高效化學電源。當前商用的先進儲能器件主要包括鋰離子電池和超級電容器，前者具有高能量密度的特點，后者具有高功率密度的特點。然而卻均無法滿足“雙高”應用的迫切要求。突破此“雙高”瓶頸的關鍵在于研制出表層極高贗電容反應的全新電極材料。碳基材料廣泛應用于鋰離子電池和超級電容器，仍被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ摹半p高”電極材料，相關最新進展已成為國際研發(fā)的關注點。
對于“雙高”新型碳基電極材料而言，近幾年來形成的共識為兼具高氮含量、高比表面積以及高導電率。摻雜的氮原子引入了基于氧化還原反應的有效贗電容，高比表面積保證了大量的雙電層電容，而高導電率則確保優(yōu)異倍率的電荷轉移。常見石墨烯具有高電子導電率，卻難以實現(xiàn)高氮含量而嚴重缺乏氧化還原活性位點。類石墨烯的碳氮材料g-C3N4具有極高的氮含量~57%，然而其高禁帶寬度（~2.7 eV）會導致極差的電子運輸能力。因此，制備出兼具高氮含量、高導電率以及高比表面積的新型導電碳氮化合物是一個挑戰(zhàn)。
研究人員通過空間限域自催化反應設計，制備出新型的導電碳氮化合物。在空間限域反應中，獨特的氫氰氨鎳前驅體分解產生金屬鎳作為導電sp2碳生長的催化劑，以及×N=C=N×或NoC-CoN基團作為碳源和氮源。同時，氫氰氨鎳中的Ni-N鍵有利于氮原子的穩(wěn)定存在。高的熱處理溫度可提高導電率，卻會降低氮含量。因而通過調節(jié)反應溫度，可以進一步平衡氮含量和導電率。在800°C條件下，碳sp2雜化程度達60%從而具有2.3 S cm?1的導電率，氮含量高達15 at%，尤其是具有電化學活性的吡啶氮和吡咯氮高達9 at %和5 at %。這種簡單易規(guī)模化生產的方法極具產業(yè)應用價值，同時也為設計和合成其它新型儲能材料提供了一種新的思路。
該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委員會、上海市科學技術委員會和中科院主要研究項目的支持。
功率密度與能量密度對數(shù)關系
超級電容器性能
導電碳氮化合物制備示意圖，透射電鏡表征以及元素分布圖
