近日，中國(guó)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(chǔ)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(chǔ)能材料如鋰離子電池和超級(jí)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(jí)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(duì)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(duì)鋰離子的吸附能力相對(duì)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(duì)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(chǔ)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。