Adv. Mater. : 储能用导电碳化氮

【引言】

碳化氮是一种有缺陷的类石墨烯的二维功能材料，其丰富的非石墨化氮结构决定了其良好催化特性，而低电导性又决定了其不适合应用于电极领域。为了构建既富含还原中心的氮元素，又具有高导电性的材料，导电碳化氮（CCN）的概念被提出。Ni，Cu两种金属在化学气相沉积过程中制备层状导电石墨烯的重要催化剂，它们的氨腈衍生物也是潜在的制备高氮含量和高导电性碳化氮的潜在前驱体。通常气相沉积的方式因其800º C以上高温的特点导致的掺氮不稳定，造成该条件下氮掺杂的含量较低。而操作温度较低的化学法掺杂获得的材料导电性较差。

【成果简介】

来自中科院上海硅酸盐研究所、浙江大学、北京大学的黄富强研究员（通讯作者）团队与，利用富氮前驱体和Ni-N缩合方式的结合制备了一种独特的二维平面结构的导电碳化氮（CCN）。这种材料的氮含量高达15%，其中还原活性的吡啶N含量为9%，吡咯N含量为5%，材料的电导率高达2.3 Scm^-1。这种材料的被用电化学电容器时，其比容量可达372Fg^-1，能量密度高达27.1 Whkg^-1,功率密度可达6.3 kWkg^-1。该研究成果以题为“Conductive Carbon Nitride for Excellent Energy Storage”的文章发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 碳化氮的材料结构

a）通过缩聚三聚氰胺制备g-C₃N₄的主要路线的示意图；

b）导电碳化氮制备的相似CVD路线：Ni(HNCN)₂的晶体结构，重量分析法与质谱法联用测定Ni(HNCN)₂在Ar₂气流下以10 º C/min 升温的表征，这种前驱体同时作为氮源和碳源，在Ni催化反应过程中以挥发的N原子团作为掺氮的原料获得高导电性的富有非石墨化氮的碳材料。

c）CCN-800样品的TEM图。

d）对应选区的高分辨TEM图像：黄色正方形区域的碳有6-9层。

e）CCN-800样品的普通TEM图像以及对应的电子能量损失谱的元素分布：f）C ；g）N ；h）O。

图2 CCN材料的XPS谱图分析

a）以Ni(HNCN)₂为前驱体，与金属Ni对比的CCN-700，CCN-800，CCN-900样品Ni 2p的高分辨XPS谱图。

b）C 1s的高分辨XPS谱图以及 c）三种样品中分别源自吡啶N，吡咯N和石墨化氮的N 1s的谱图。

d）三种样品中不同氮含量的总结，表明了这些样品中高含量的非石墨化氮。

图3导电碳化氮的其他表面分析

a）拉曼光谱，b）电导率，c）N₂吸脱附以及d）CCN-700，CCN-800，CCN-900三种材料的孔径分布。

图4 三电极体系电化学性能测试

a）2 mVs^-1的伏安测试。

b）CCN-800材料容量相对于半圈循环时间平方根的数据图。实心符号代表CV的测试范围为2到100 mVs^-1，空心符号代表CC测试范围为1到20 Ag^-1。对称电池的电化学特征为：CCN-800的阴极和阳极在两种不同的水溶液中：1M H₂SO₄和2M Li₂SO₄。

c）以2 mVs^-1扫速的CV图像。

d）CCN-800器件以比能量对比功率的拉汞图像。插入部分为：被单体器件点亮的黄色LED灯。

【成果小结】

课题组利用Ni(HNCN)₂为前驱体，制备了导电碳化氮材料，这种材料的氮含量高达15%，其中吡啶氮含量为9%，吡咯氮含量为5%，材料呈现二维平面结构，具有372Fg^-1的出色比电容。