林荣和副研究员/丁云杰研究员/吴忠帅研究AFM: 基于高分子聚合物“开环-碳化”合成高氮掺杂氮碳材料的新策略- 大数跨境

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林荣和副研究员/丁云杰研究员/吴忠帅研究AFM: 基于高分子聚合物“开环-碳化”合成高氮掺杂氮碳材料的新策略

科学材料站

2020-10-11

导读：该文章提出一种基于高分子聚合物“开环-碳化”合成高氮掺杂氮碳材料的新策略，并将所得新型碳材料应用于锂电池和脂肪烃/醇的选择性氧化反应。

文章信息

一种合成富吡啶氮高氮掺杂碳材料的普适性策略

第一作者：牟效玲，马佳鑫，郑双好

通讯作者：林荣和*，吴忠帅*，丁云杰*

单位：浙江师范大学，大连化学物理研究所

研究背景

非金属碳基材料具有丰富的表面可修饰性、分级孔道结构以及优异的耐酸碱性，在能源、催化和环境等领域具有极其广泛的应用。杂原子掺杂，如氮原子的引入，可以引起临近缺陷位点碳原子上的电荷进行再分布，从而调变碳基体的电子特性。这种电子特性又与氮原子的掺杂位置（吡啶氮、吡咯氮、石墨化氮、氧化吡啶氮等）紧密相关。

尽管目前合成氮碳材料的方法不断发展，同时获得较高的掺氮量以及可控调变氮原子的掺杂位点仍然是一大挑战。例如，采用含氮高分子聚合物在惰性气氛下一步热裂解法是制备氮碳材料的常规手段。然而该方法制得的氮碳材料往往难以得到较高的掺氮量（由聚苯胺在1073K碳化所得产物氮含量仅仅为12 wt%）。

文章简介

近日，来自浙江师范大学的林荣和副研究员、丁云杰研究员与大连化物所的吴忠帅研究员合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials（影响因子：16.836）上以全文形式发表题为“A General Synthetic Strategy toward Highly Doped Pyridinic Nitrogen‐Rich Carbons”的文章。

该文章提出一种基于高分子聚合物“开环-碳化”合成高氮掺杂氮碳材料的新策略，并将所得新型碳材料应用于锂电池和脂肪烃/醇的选择性氧化反应。

图1. 一种基于聚合物“开环-碳化”合成高氮掺杂氮碳材料的新策略。

本文要点

要点一：聚合物“开环-碳化”策略合成高氮掺杂氮碳材料

本工作通过在碳化工艺前对高分子聚合物进行预氧化处理，强化开环反应，实现了对氮缺陷类型和掺氮量的系统调控。以聚苯胺为例，经673 K预氧化处理后再1073 K碳化得到的样品大幅提高了掺氮量（22 vs. 12 wt%）和吡啶氮的占比（42 vs. 24%）。

该方法通过简单控制预氧化温度（523-673 K），能够有效抑制聚合物直接发生交联而促进苯环的开环反应，从而达到对掺氮量和掺氮类型在较宽范围内的精确控制。

更难能可贵的是该方法对于含有多种不同单体的含氮聚合物/共聚物均表现出较好的普适性，且对于含有苯胺单体的聚合物，其效果最佳。

要点二：锂电池和多相催化的应用

从苯胺和吡咯共聚出发得到共聚物纳米球。进一步通过调变预氧化温度配合热裂解，得到一系列具有相似孔道结构但不同掺氮量的氮碳纳米空心球。

进一步将这类高氮掺杂纳米碳材料应用于锂电池和多种脂肪烃/醇的选择性氧化反应中，发现相比普通氮碳材料其性能均实现不同程度的倍增，如在0.1 A g-1低电流密度下获得879 mAh g-1的比容量以及优异的循环表现，而在多相催化反应中则表现出更加优异的转化率和对目标产物的选择性。

通过建立材料结构与性能的关联，发现其锂电性能以及催化性能均与这类材料的总掺氮量以及吡啶氮含量密切相关。因此，这种含氮高分子聚合物“开环-碳化”设计策略，为富吡啶氮的高氮掺杂新型功能碳材料的制备及其应用提供了新的思路。

文章链接

A General Synthetic Strategy toward Highly Doped Pyridinic Nitrogen‐Rich Carbons

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006076

通讯作者介绍

林荣和副研究员

2010年毕业于中科院大连化学物理研究所，博士师从丁云杰研究员，2015-2019年在瑞士苏黎世联邦理工学院Javier Pérez-Ramírez 课题组从事博士后研究工作。2019年加入浙江师范大学，现为杭州高等研究院催化基础与应用团队副研究员。长期从事固体催化剂表面的卤素化学与新型碳基金属纳米催化剂的研究和开发。以通讯作者和共同作者身份在Chem. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., 等学术刊物上发表30余篇研究论文，被引用近千次。

吴忠帅研究员

催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508）组长。2011年毕业于中国科学院金属研究所，获工学博士学位；2011-2015年赴德国马普高分子研究所做博士后研究工作。2015年6月加入中国科学院大连化学物理研究所，任研究员、研究组组长。

主要致力于二维材料化学与微纳电化学能源的应用基础研究，包括石墨烯、二维材料、微型电化学能源器件、超级电容器、先进电池与能源催化。已在Energy Environ. Sci.（3篇）、Adv. Mater.（12篇）、J. Am. Chem. Soc.（8篇）、Nat. Commun.（2篇）、ACS Nano（15篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Adv. Energy. Mater.（4篇）、Energy Storage Materials （14篇）、Adv. Funct. Mater.（7篇）、Nano Energy（6篇）等国际知名期刊发表学术论文150余篇，其中影响因子大于10的论文89篇；所有文章被SCI引用21000余次，26篇论文入选ESI高被引论文，一篇论文入选“近十年中国十大高被引论文（2006-2016）”；申请发明专利53项（其中国际3项、授权7项）；申请国际标准1项、国家标准2项；承担中组部、科技部、基金委、中科院等项目23项；入选英国皇家化学会会士（2020）、“科睿唯安”全球高被引科学家等（2018、2019）、中组部引进“海外杰出青年人才”（2015）、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才（2018）、辽宁省“百千万人才工程”-百人层次（2018）、大连市重点领域创新团队学术带头人（2020），获中科院引进“海外杰出人才”终期评估优秀奖（2019）、国家自然科学二等奖（第四完成人，2017）、辽宁省自然科学一等奖（第四完成人，2015）、全球同行评审奖（2019）、爱思唯尔Energy Storage Materials青年科学家（2019）、中科院大连化物所张大煜优秀学者（2018）、J. Mater. Chem. A Emerging Investigators（2018）、中国科学院大学优秀导师奖（2018）等多项奖励/荣誉。担任Applied Surface Science编辑，Journal of Energy Chemistry执行编委，Energy Storage Materials、Journal of Physics: Energy、Mater. Res. Express、Physics编委，Chin. Chem. Lett.青年编委、中国工程院院刊Engineering清洁能源通讯专家。担任Adv. Mater.、J. Energy Chem.、Energy Storage Mater.、Chin. Chem. Lett.杂志客座编辑；担任中国国际石墨烯资源产业联盟国际标准委员会委员、中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准化委员会委员、全国纳米技术标准化技术委员会委员等；担任Pacifichem2020、美国化学年会、世界粉末大会、中国化学会中国能源材料化学等会议共同或分会主席。受邀在国际电化学能源科学与技术会、国际储能材料会、国际石墨烯会、国际碳材料年会等做邀请报告50余次。

丁云杰研究员

1985年7月毕业于杭州大学化学系，获学士学位；1991年7月，毕业于大连化物所，获博士学位；1993年7月，浙江大学化学系，副教授；1995年9月-1998年10月，美国Texas A&M大学，博士后；1999年至今，大连化物所，研究员，课题组长，博士生导师；2006年，浙江大学化学系，兼职教授。现为大连化物所合成气转化与精细化学品催化研究中心主任，中国科学院大连化物所学术和学位委员会委员。教育部能源化学材料协同创新中心iChem教授，中国科学院特聘研究员特聘核心骨干。任《催化学报》、《煤化工》、《化肥与合成气》杂志编委会委员。曾荣获辽宁省先进工作者、中科院优秀党员、辽宁省优秀专家、中科院科技促进发展奖、辽宁省科技进步二等奖、中国知识产权局专利金奖、大连市第二届优秀科技工作者、大连市领军人才等奖励，享受国务院特殊津贴，2019年荣获全国五一劳动奖章。发表研究论文200余篇，申请专利近200件，授权专利60多件，其中国际专利6件。发表著作3部，其中主编专著1部。所主持的多项课题进行中试产业化生产。其自主研发的3万吨/年乙醇胺临氢氨化制乙撑胺的整套技术已出口印度并完成投料生产。部分工作被中国中央电视台走进科学栏目作重点报道。