碳化氮是一種有缺陷的類石墨烯的二維功能材料，其豐富的非石墨化氮結(jié)構(gòu)決定了其良好催化特性，而低電導(dǎo)性又決定了其不適合應(yīng)用于電極領(lǐng)域。為了構(gòu)建既富含還原中心的氮元素，又具有高導(dǎo)電性的材料，導(dǎo)電碳化氮（CCN）的概念被提出。Ni，Cu兩種金屬在化學(xué)氣相沉積過程中制備層狀導(dǎo)電石墨烯的重要催化劑，它們的氨腈衍生物也是潛在的制備高氮含量和高導(dǎo)電性碳化氮的潛在前驅(qū)體。通常氣相沉積的方式因其800o C以上高溫的特點導(dǎo)致的摻氮不穩(wěn)定，造成該條件下氮摻雜的含量較低。而操作溫度較低的化學(xué)法摻雜獲得的材料導(dǎo)電性較差。

圖1：碳化氮的材料結(jié)構(gòu)

【成果簡介】

來自中科院上海硅酸鹽研究所、浙江大學(xué)、北京大學(xué)的黃富強研究員（通訊作者）團隊與，利用富氮前驅(qū)體和Ni-N縮合方式的結(jié)合制備了一種獨特的二維平面結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電碳化氮（CCN）。這種材料的氮含量高達15%，其中還原活性的吡啶N含量為9%，吡咯N含量為5%，材料的電導(dǎo)率高達2.3 Scm-1。這種材料的被用電化學(xué)電容器時，其比容量可達372Fg-1，能量密度高達27.1 Whkg-1,功率密度可達6.3 kWkg-1。該研究成果以題為“Conductive Carbon Nitride for Excellent Energy Storage”的文章發(fā)表在Advanced Materials上。

【圖文導(dǎo)讀】

a）通過縮聚三聚氰胺制備g-C3N4的主要路線的示意圖；

b）導(dǎo)電碳化氮制備的相似CVD路線：Ni(HNCN)2的晶體結(jié)構(gòu)，重量分析法與質(zhì)譜法聯(lián)用測定Ni(HNCN)2在Ar2氣流下以10 o C/min 升溫的表征，這種前驅(qū)體同時作為氮源和碳源，在Ni催化反應(yīng)過程中以揮發(fā)的N原子團作為摻氮的原料獲得高導(dǎo)電性的富有非石墨化氮的碳材料。

c）CCN-800樣品的TEM圖。

d）對應(yīng)選區(qū)的高分辨TEM圖像：黃色正方形區(qū)域的碳有6-9層。

e）CCN-800樣品的普通TEM圖像以及對應(yīng)的電子能量損失譜的元素分布：

f）C g）N h）O。

圖2：CCN材料的XPS譜圖分析

a）以Ni(HNCN)2為前驅(qū)體，與金屬Ni對比的CCN-700，CCN-800，CCN-900樣品Ni 2p的高分辨XPS譜圖。

b）C 1s的高分辨XPS譜圖以及 c）三種樣品中分別源自吡啶N，吡咯N和石墨化氮的N 1s的譜圖。

d）三種樣品中不同氮含量的總結(jié)，表明了這些樣品中高含量的非石墨化氮。

圖3：導(dǎo)電碳化氮的其他表面分析

a）拉曼光譜，b）電導(dǎo)率，c）N2吸脫附以及d）CCN-700，CCN-800，CCN-900三種材料的孔徑分布。

圖4：三電極體系電化學(xué)性能測試

a）2 mVs-1的伏安測試。

b）CCN-800材料容量相對于半圈循環(huán)時間平方根的數(shù)據(jù)圖。實心符號代表CV的測試范圍為2到100 mVs-1，空心符號代表CC測試范圍為1到20 Ag-1。對稱電池的電化學(xué)特征為：CCN-800的陰極和陽極在兩種不同的水溶液中：1M H2SO4和2M Li2SO4。

c）以2 mVs-1掃速的CV圖像。

d）CCN-800器件以比能量對比功率的拉汞圖像。插入部分為：被單體器件點亮的黃色LED燈。

【成果小結(jié)】

課題組利用Ni(HNCN)2為前驅(qū)體，制備了導(dǎo)電碳化氮材料，這種材料的氮含量高達15%，其中吡啶氮含量為9%，吡咯氮含量為5%，材料呈現(xiàn)二維平面結(jié)構(gòu)，具有372Fg-1的出色比電容。