激光辅助碳化法构筑高缺陷氮掺杂多孔碳用于高性能钠储存

第一作者：晁会霞 教授

通讯作者：张金强研究员，周英棠教授

单位：北部湾大学 浙江海洋大学 澳大利亚阿德莱德大学

持续的能源危机加速了全球对可持续能源解决方案的需求。鉴于锂资源的有限性，钠离子电容器成为重要的研究热点。因此，开发高性能电极材料已成为推动钠离子电容器发展的关键。碳材料因其高比表面积、优异的导电性、化学稳定性、可加工性和低成本等优势，被广泛应用于钠离子电容器的研究。其中，杂原子掺杂，尤其是氮掺杂，是调控碳材料电子结构的常用策略。近年来，激光碳化技术因其反应速度快、选择性高和产物收率高等优点，受到了广泛关注。该技术利用激光的高能量密度和高精度，将有机物或前驱体转化为多种碳材料，如多孔碳、碳纤维、碳纳米管和石墨烯。此外，激光介导工程可精准调控材料的结构缺陷并构筑异质结构。这些富含缺陷的结构有利于杂原子掺杂，并可通过引入不同电负性的掺杂元素（如氮）显著调控碳材料的局部电子结构，从而提高其储钠性能。因此，结合激光碳化与杂原子掺杂技术，不仅有助于提升材料的产量，还可精准调控多孔碳材料的物理化学性质，为高性能钠离子存储材料的开发提供了一种有效策略。

近日，北部湾大学晁会霞教授、浙江海洋大学周英棠教授以及澳大利亚张金强研究员合作，在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 发表了题为 “Ultrafast laser carbonization endowing high defect density in porous carbon electrode for tunable nitrogen-doping towards high performance sodium storage” 的实验文章。该文章探讨了氮掺杂多孔碳材料在钠离子存储器件中的巨大潜力，同时指出，目前在精确且可扩展的结构调控合成技术方面仍面临挑战。研究表明，通过激光碳化结合氮掺杂技术，可构筑具有高密度晶格缺陷和高氮含量的多孔碳材料。该策略能够精准调控缺陷密度并优化碳基体的电子结构，从而显著提升材料的储钠性能，为高性能钠离子存储材料的设计与应用提供了新的思路。

与传统高温热碳化方法相比，激光碳化工艺由于其高温加热、快速冷却及强烈的气体逸出效应，使得所得碳材料的晶格缺陷密度显著提高。此外，该方法制备的多孔碳骨架中暴露出更多的边缘缺陷。实验表明，随着激光功率的增加，多孔碳的孔壁厚度减小，形成更大的孔结构；而提高激光扫描速度或降低激光功率则会导致孔壁变厚。激光碳化所得的多孔碳呈现无定形结构，与惰性气氛中高温碳化所得的多孔碳类似，但在约 25° 的XRD峰值位置明显向低角度偏移，表明层间距增加。此外，该多孔碳具有更高的ID/IG值，并在 π 共轭碳原子上产生更多未配对电子，表明其晶格缺陷和边缘缺陷显著增强。

激光碳化所得的高密度晶格缺陷和边缘缺陷的多孔碳，在N₂-NH₃氛围下，通过调控合适的掺杂温度和处理时间，可获得更高的氮含量，且氮物种主要以吡啶氮的形式存在。吡啶氮能够提供额外的活性位点，提高碳材料的亲钠性，从而增强其储钠性能。

高缺陷和高吡啶氮含量的多孔碳的总态密度（TDOS）超过费米能级，表现出类金属的半导体特性。相较于常规多孔碳和石墨材料，这种碳材料展现出更优异的导电性和更快速的电子转移能力，从而在钠存储过程中表现出更高的比容量、更显著的赝电容贡献、更优异的倍率性能以及更长的循环寿命。

结合激光碳化与氮掺杂技术，通过优化碳化前驱体和工艺参数，可制备具有高密度晶格缺陷和高氮含量的多孔碳材料。该方法能够精准调控缺陷密度并优化碳基体的电子结构。在N₂-NH₃氛围中加热碳骨架后，活性氮物种优先沉积于缺陷位点，主要形成吡啶氮，从而进一步提升钠的电化学存储能力。该策略为设计高性能碳基电极材料提供了一种可行且高效的途径。

Ultrafast laser carbonization endowing high defect density in porous carbon electrode for tunable nitrogen-doping towards high performance sodium storage

张金强研究员简介：澳大利亚研究理事会优秀青年研究员，阿德莱德大学化工学院研究员，主要从事新型储能技术开发。迄今在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Mater. Today, ACS Nano, ACS Catal.,等期刊发表论文百余篇，引用4400余次，H因子38。现主持澳大利亚科研理事会优秀青年基金1项及面上项目1项。担任期刊Sci. Energy Environ.和Adv. Mater. Sci. Technol.期刊编委，以及Chinese Chem. Lett.（影响因子：9.1）、Sustain. Chem. Energy Mater.（Elsevier）、Exploration（Wiley）和Nano Res. Energy（清华大学出版社）期刊青年编委。被RSC Energy Advances授予青年科学家称号，获国家优秀自费留学生奖学金、JMCA Emerging Investigator, ACS Energy & Fuel Rising Star, 山东省环境科学学会环境保护论文一等奖等。

周英棠教授简介：浙江海洋大学东海学者，浙江省特聘教授。硕士和博士毕业于比利时天主教鲁汶大学，曾任职于比利时杨森制药公司。研究方向为高通量多元检测技术，光热材料在肿瘤治疗，光热材料在海水淡化及水处理的研究。近三年以通讯作者在Advanced Materials, Coordination Chemistry Reviews, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental等期刊发表SCI论文80余篇，其中IF>20的30余篇。