Nature Communications：单吡咯氮掺杂的sp2-杂化碳材料及其赝电容

Nanoyu

2020-08-05

在sp²-杂化碳材料中引入氮物种被证明是改善其电化学性能的有效手段。然而，由于合成氮掺杂的碳材料所涉及的不同氮构型之间的不可控转化，碳材料中不可避免的氮物种的混合在很大程度上阻碍了对特定反应的电化学活性氮构型的精准识别。

近日，燕山大学郭万春副教授，王海燕教授，北京大学侯仰龙教授报道了一种单氮构型掺杂碳材料，即单吡咯氮掺杂碳材料（SPNCM）的制备，其可作为一种理想的模型材料，基于3-卤代苯酚-3-氨基苯酚-甲醛（X-APF，X=F，Cl和Br）共缩合树脂的低温脱卤诱导和碱活化热解相结合的简易工艺流程；相邻苯环之间发生的热解脱卤诱导的偶联反应促进了低温下碳材料的充分石墨化，随后的碱活化热解诱导了sp³-氢化氮物种向sp²-氢化吡咯氮物种的排他性和完全转化。

文章要点

1）通过改变3-氨基苯酚与3-氟苯酚的摩尔比，SPNCMs的吡咯氮含量可以在0~4.22 at.%之间合理调节，最终的掺氮碳材料也表现出类似于用3-氯苯酚或3-溴苯酚替代3-氟苯酚的单一吡咯氮掺杂状态。

2）由3-氨基苯酚/3-氟苯酚摩尔比为1/1的3-氨基酚-FPF共缩合树脂制备的掺氮碳材料，即SPNCMs（F，1/1），其吡咯氮含量高达4.22 at.%，在1A g^-1下表现出高达618 F g^-1的高比电容，具有优异的倍率性能和超稳定的循环性能，10 A g^-1时，初始比电容为467 F g^-1，在1 M H2SO4中，三电极体系循环30,000次后，比容量保持近100%。更重要的是，可以准确推断出吡咯类氮物种是用作电化学电容材料的掺氮碳材料的高活性赝电容位。

3）碳材料的赝电容量与吡咯氮含量成正比，将单一吡咯氮掺杂碳材料和由3-氟苯酚树脂（CMs（FPF））衍生的无氮碳材料作为理想的模型材料进行的电化学分析结果表明，其具有相似的离子扩散能力和电导率。

Tian, K., Wang, J., Cao, L. et al. Single-site pyrrolic-nitrogen-doped sp²-hybridized carbon materials and their pseudocapacitance. Nat Commun 11, 3884 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-17727-y

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17727-y