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，而低電導性又決定了其不適合應用于電極領域。為了構(gòu)建既富含還原中心的氮元素，又具有高導電性的材料，導電碳化氮（CCN）的概念被提出。Ni，Cu兩種金屬在化學氣相沉積過程中制備層狀導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法摻雜獲得的材料導電性較差。

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、北京大學的黃富強研究員（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%，材料的電導率高達2.3 Scm-1。這種材料的被用電化學電容器時，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催化反應過程中以揮發(fā)的N原子團作為摻氮的原料獲得高導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：導電碳化氮的其他表面分析

a）拉曼光譜，b）電導率，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。