碳基導(dǎo)電添加劑是在儲(chǔ)能領(lǐng)域和電催化領(lǐng)域廣泛使用的一種增強(qiáng)電極材料穩(wěn)定性和導(dǎo)電性的添加劑。目前市面在售的像科琴黑，Super P，乙炔黑等導(dǎo)電添加劑雖然具有較高的導(dǎo)電性，但往往其添加體積較大，不可避免的損失活性材料的容量、體積及面能量密度等。因此，制備一種兼具高導(dǎo)電性的活性電極材料極為重要。在眾多的研究中，研究學(xué)者普遍認(rèn)為，對(duì)于碳基材料，其石墨化程度越高，導(dǎo)電性也越高。除此之外，也有研究表明，通過(guò)雜原子摻雜改變費(fèi)米能級(jí)附近的電荷離域和供體態(tài)密度也能提高碳基材料的導(dǎo)電性。但在碳基材料的制備過(guò)程中，較高的石墨化程度往往需要在高溫下進(jìn)行碳化，這也意味著雜原子摻雜的含量會(huì)越來(lái)越少，雜原子摻雜帶來(lái)的導(dǎo)電性的提升也是有限的。

鑒于此，我?；膶W(xué)院的金輝樂(lè)教授和李俊教授課題組采用了一種原位溶劑熱脫鹵聚合的方法，通過(guò)平衡石墨化程度和雜原子摻雜含量，在1000 ℃的碳化溫度下制備了一種sp2/sp3氮摻雜化活性碳材料，其本身既可以作為導(dǎo)電劑（如圖1所示，該工作設(shè)計(jì)的氮摻雜碳具有1.14×104 S m-1的超高電導(dǎo)率，這比目前廣泛使用的科琴黑等導(dǎo)電添加劑高出了三倍以上），也可以作為超級(jí)電容器電極的活性?xún)?chǔ)能材料，該工作通過(guò)控制氮摻雜在sp2和sp3碳上雜化位點(diǎn)的調(diào)變及摻雜量的優(yōu)化，制備了一種具有超高導(dǎo)電性的氮摻雜碳基導(dǎo)電-儲(chǔ)能一體化材料。

圖1：不同碳化溫度下NOC的結(jié)構(gòu)表征。(a) 拉曼光譜；(b) XRD圖譜；(c) 氮吸附/解吸等溫線(xiàn)；(d) 孔徑分布；(e) NOC1000與商業(yè)材料的電導(dǎo)率比較；(f) XPS圖譜。

理論上，氮摻雜的碳基材料可以與氮原子中的孤對(duì)電子結(jié)合，產(chǎn)生活性位點(diǎn)，提供法拉第電容，從而提高碳材料的電導(dǎo)率和電荷存儲(chǔ)活性。在本項(xiàng)工作中，作者系統(tǒng)研究了不同的氮摻雜類(lèi)型以及sp2和sp3雜化的氮摻雜含量對(duì)超電儲(chǔ)能性能的影響，并進(jìn)一步分析了在不同碳化溫度下，氮摻雜對(duì)sp2/sp3碳雜化的影響。同時(shí)，為了解釋這種超高導(dǎo)電性的來(lái)源，本文共同一作湘潭大學(xué)的粟勁蒼副教授利用基于DFT的第一性原理計(jì)算，理論模擬了未摻雜以及不同氮雜化位點(diǎn)的sp2/sp3碳基材料的電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，證明了sp2/sp3氮摻雜導(dǎo)致的額外電子和費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)移，從而帶來(lái)了n型電導(dǎo)，進(jìn)一步證實(shí)sp2碳的重要性以及氮摻雜在提高sp2/sp3雜化碳基材料電導(dǎo)率方面的積極作用。

圖2: sp2/sp3雜化碳的原子結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

如圖3所示，該工作還嘗試制備了柔性全固態(tài)超級(jí)電容器以及袋式超級(jí)電容器，由于不需要加入大量的商業(yè)導(dǎo)電炭黑，兩種器件的性能評(píng)價(jià)均表現(xiàn)出較高的面功率和面能量密度。

圖3：柔性全固態(tài)超級(jí)電容器性能示意圖

本文采用原位聚合和溶劑熱碳化法制備了高導(dǎo)電性的氮摻雜多孔碳片和碳球復(fù)合材料。該合成方法為超高導(dǎo)電性碳的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新途徑，其導(dǎo)電性超過(guò)了商品化碳導(dǎo)電劑的3倍以上?？傊@種新型的高導(dǎo)電性雜原子摻雜多孔碳材料在許多其他能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (如燃料電池和堿金屬電池)中可以同時(shí)充當(dāng)活性中心和導(dǎo)電劑，作為“一體”的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)化材料，這對(duì)實(shí)現(xiàn)低碳能源技術(shù)提供重要支撐。

相關(guān)論文“Highly conductive nitrogen-doped sp2/sp3 hybrid carbon as a conductor-free charge storage host”（ DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202209201）發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Functional Materials 上，溫州大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與材料工程學(xué)院2019級(jí)研究生王祺為第一作者，我校金輝樂(lè)與李俊教授為該論文共同通訊作者。