【材料】“微米反应器”策略助力g-C3N4向三维氮掺杂石墨烯转化并应用于钠离子电池

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随着全球电动汽车产业的迅速发展，高性能锂离子电池的开发受到广泛关注。但是，地球上锂资源储量有限，这限制了其进一步的大规模工业应用，与之相比，钠元素在地球上储量相对丰富，开发高性能钠离子电池可以有效替代锂离子电池，实现大规模、低成本的工业化应用。

石墨具有质量轻、导电性好等特点，是一种常用的电池电极材料，但是由于钠离子具有比锂离子更大的离子半径，将石墨用于钠离子电池时其容量往往较低。可以通过扩大石墨层间距结合，并结合异原子掺杂（如氮掺杂石墨烯）的策略来提高石墨类电极材料的储钠性能。目前，合成具有优异储钠性能、高含量氮掺杂的三维石墨烯结构仍然存在较大的难度。

图1. “微米反应器法”制备氮掺杂3D石墨烯的示意图

针对上述科学问题，哈尔滨工业大学宋波教授和徐平教授等提出科学设想：g-C₃N₄具有较高的氮含量，能否利用层状g-C₃N₄为模板原位合成氮掺杂石墨烯骨架，并将其用于钠离子电池。众所周知，g-C₃N₄在高温条件下容易分解为各种气相产物，但是在半封闭的条件下可以原位转换为氮掺杂石墨烯（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 19626−19634）。如图1所示，通过氧化石墨烯包裹三聚氰胺纤维构造“微米反应器”来实现近似的微观半封闭环境，进一步在高温下实现g-C₃N₄向氮掺杂石墨烯的转变，并且进一步可以实现三维氮掺杂石墨烯结构的大规模制备。如图2所示，所制备三维氮掺杂石墨烯是由开口的纤维状结构所构成。他们将所制备三维氮掺杂石墨烯结构其用于钠离子电池阳极时，在0.2 A g^-1的条件下循环500圈后，仍然具有305 mAh g^-1 的容量，并且在5 A g^-1 大电流条件下循环5000圈后，仍能保持198 mAh g^-1 的容量。

图2. 所制备氮掺杂3D是石墨烯的形貌表征

该研究表明，利用包裹的三聚氰胺纤维构筑“微米反应器”可以实现高氮含量掺杂石墨烯骨架的合成，同时可以结合其它合成手段制备三维石墨烯负载金属化合物电极材料，为开发、设计新型高容量廉价电池材料提供了新的思路。相关成果近期发表在Journal of Power Sources 上，第一作者李加杰博士，现为济南大学材料学院讲师。

该论文作者为：Jiajie Li, Yumin Zhang, Tangling Gao, Jiecai Han, Xianjie Wang, Benjamin Hultman, Ping Xu, Zhihua Zhang, Gang Wu, Bo Song

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A confined "microreactor" synthesis strategy to three dimensional nitrogendoped graphene for high-performance sodium ion battery anodes

J. Power Sources, 2018, 378, 105-111, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2017.12.028

导师介绍

宋波

http://www.x-mol.com/university/faculty/38305

徐平

http://www.x-mol.com/university/faculty/38303

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