石墨烯掺氮扩层实现钠离子高效存储

目前，锂离子电池是性能最优异的商业电池，然而，其高昂的价格促使研究人员不断开发性能优异且成本低廉的电池技术。由于钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理，并且钠资源极其丰富，钠离子电池有望成为下一代廉价高效的二次电池技术。通常，很多成功的锂离子电池电极材料设计策略可以被拓展应用于钠离子电池，尤其适用于正极材料。但是，因为钠离子与锂离子相比具有更大的离子半径和原子质量，传统的石墨（锂电负极）因其不匹配的层间距难以成为很好的钠离子宿主材料，即负极材料。因此，开发钠离子电池的关键之一在于开发能够高效地存储钠离子的负极材料。

近日，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授（点击查看介绍）课题组报道了层间距可调控的富氮薄层石墨烯（N-FLG），通过石墨烯扩层实现了钠离子的高效存储。作者以三聚氰胺为原料合成g-C₃N₄，再以此为富氮前驱体在金属锌的辅助下高温煅烧制备N-FLG。研究发现，改变煅烧温度（T = 700、800、900 °C）能够调控N-FLG-T的层间距。通过HRTEM可以看出，N-FLG-700、N-FLG-800、N-FLG-900的层间距分别为0.45、0.51、0.49 nm。借助XPS技术分析了各样品的含氮量及其掺氮构型，进一步将样品的层间距和不同掺氮构型进行关联，发现只有吡咯氮的含量与石墨烯层间距成正相关。这是由于吡咯氮的孤对电子垂直于石墨烯平面，具有更大的静电斥力来拓展石墨烯层间距。

图1. （a）N-FLG-T的合成示意图；（b–d）N-FLG-T的HRTEM图；（e–g）N-FLG-T的层间距与不同掺氮构型的相关曲线。

作为钠离子电池负极材料，N-FLG-T的电化学性能与其层间距密切相关。其中，N-FLG-800具有最大的层间距，表现出最佳的钠离子存储性能，其倍率性能（264.3 mAh/g @ 0.1 A/g – 56.6 mAh/g @ 40 A/g）和循环稳定性（211.3 mAh/g  @ 0.5 A/g @ 2000^th cycle）远远超过了N-FLG-700和N-FLG-900以及目前报道的绝大多数碳负极材料。优化后的石墨烯不仅能够提供足够的层间距加速钠离子的可逆脱嵌，而且能够通过表面电容行为提高钠离子存储容量。该研究为碳基钠离子电池负极材料的合理设计和制备提供了新的思路。

图2. （a）N-FLG-T的倍率性能; （b）N-FLG-800在不同扫速下的赝电容贡献百分比；（c）N-FLG-T的循环稳定性。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是刘金龙博士，通讯作者为乔世璋教授。

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Graphitic Carbon Nitride (g‐C₃N₄)‐Derived N‐Rich Graphene with Tuneable Interlayer Distance as a High‐Rate Anode for Sodium‐Ion Batteries

Jinlong Liu,Yaqian Zhang, Lei Zhang, Fangxi Xie, Anthony Vasileff, Shi‐Zhang Qiao*

Adv. Mater., 2019, 31, 1901261, DOI: 10.1002/adma.201901261

导师介绍

乔世璋

https://www.x-mol.com/university/faculty/29675

课题组主页

http://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao