氮摻雜碳材料的案例
利用棉花短絨：制備出超高比表面積氮摻雜多孔碳材料
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的氮摻雜多孔碳具有優(yōu)異的染料吸附性能，對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附容量達(dá)到1551mg/g。
相關(guān)研究成果已申報(bào)中國(guó)發(fā)明專利，并于近期發(fā)表在國(guó)際刊物《材料化學(xué)雜志A》（Journal of Materials Chemistry A）上。這種以植物基可再生資源為原料、工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)可控、超高比表面積的氮摻雜多孔碳材料在能源和環(huán)境領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景，同時(shí)也為新型功能性碳材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。
來源：中國(guó)科學(xué)院 。編輯：SARS
神奇的氮摻雜碳材料讓“氯”類污染無處可躲
在長(zhǎng)期的研究試驗(yàn)過程中，李嶸嶸發(fā)現(xiàn)通過催化加氫脫氯處理有機(jī)氯化物生成的產(chǎn)物毒性低，是降解氯代苯酚類化合物的理想路線，而含氮碳材料是一種氯代苯酚類氫解催化劑的理想載體。
多孔碳材料由于其特有的組成與結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、有序的孔徑分布及其較高的熱力學(xué)穩(wěn)定和化學(xué)惰性，在催化、吸附分離和能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域具有很重要的應(yīng)用前景。同時(shí)氮元素的引入可顯著改善其結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性和酸堿性等特點(diǎn)。眾所周知，氮摻雜的碳材料表面具有大量的堿性氮基團(tuán)；且與純碳材料相比，它還具有不少優(yōu)勢(shì)，一是氮原子的摻入改變了碳材料的表面電子性能，增加了碳材料的缺陷位（即催化活性位）點(diǎn)，進(jìn)而提高了催化活性；二是含氮碳材料表面的堿性基團(tuán)與活性組分之間的強(qiáng)相互作用，有利于金屬活性組分在碳材料表面的分散，且可起到抑制積碳的形成；三是含氮基團(tuán)的親水性也使含氮碳載體負(fù)載的金屬催化劑更容易在氯代苯酚類廢水中得到有效分散。
李嶸嶸發(fā)現(xiàn)，至今為止有序介孔碳氮材料的合成都采用后處理方法，未見有一步法合成文獻(xiàn)報(bào)道，一步法合成的介孔碳材料具有更加優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，尤其在合成過程中能保持高度有序的介孔結(jié)構(gòu)，有望提高催化劑的水熱穩(wěn)定性和使用壽命。
于是，他和團(tuán)隊(duì)通過一步法合成對(duì)摻氮基團(tuán)的位置、分布、摻氮量以及含氮基團(tuán)類型，可以有效提高加氫脫氯催化劑的催化性能。此外，將介孔碳材料用于氯代苯酚加氫脫氯反應(yīng)，可提高反應(yīng)的活性和選擇性實(shí)現(xiàn)一步法合成環(huán)己酮，從而減少反應(yīng)過程中苯酚對(duì)環(huán)境的二次污染，讓“苯”類污染無處可逃。
通過本項(xiàng)目研究，建立了納米金屬負(fù)載介孔碳材料的機(jī)制模型，研究其對(duì)典型環(huán)境污染物的催化活性，總結(jié)揭示了介孔碳材料的性質(zhì)與催化性能之間的內(nèi)在關(guān)系，闡明了催化反應(yīng)的基本規(guī)律，探討了加氫脫氯反應(yīng)機(jī)理。
展開 哈工大《AFM》：3D納米多孔氮摻雜碳讓全固態(tài)鋁空氣電池更優(yōu)！
同時(shí)提高ORR性能和傳質(zhì)的一個(gè)有前途的策略是構(gòu)建具有ORR活性化學(xué)摻雜劑和3D互連孔隙率的碳基催化劑。
來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），日本筑波大學(xué)的科研人員報(bào)道了一種由聚苯胺輔助模板法制備的三維納米多孔氮摻雜碳，該材料具有雙連續(xù)的孔隙率和互連的開孔通道。聚苯胺可以有效抑制表面擴(kuò)散模板粗化，從而獲得35 nm的小孔徑。小的多孔形態(tài)導(dǎo)致高達(dá)7.20at%的高氮摻雜劑濃度。這反過來又顯示出商業(yè)鉑/碳可比的ORR性能以及在堿性介質(zhì)中令人滿意的耐久性。使用這些納米多孔碳催化劑作為空氣電極，組裝了全固態(tài)柔性鋁-空氣電池，測(cè)量的最大功率密度達(dá)到130.5毫瓦每平方厘米，而使用商用鉑/碳標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為106.2毫瓦每平方厘米。該研究為制備具有雙連續(xù)納米孔道的三維氮摻雜碳提供了一種有效的方法，可廣泛應(yīng)用于便攜式和柔性器件。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103632
綜上所述，本文采用聚苯胺輔助的方法制備了具有雙連續(xù)開放孔隙率的三維納米孔摻氮碳。聚苯胺層可以有效地抑制了Mn2O3模板在800~1000°C熱解過程中因擴(kuò)散而導(dǎo)致的顆粒粗化和孔膨脹效應(yīng)，制得的三維納米孔炭的孔徑為35 nm。由于N摻雜量高、比表面積大、孔隙率高，因此3D納米多孔碳基全固態(tài)鋁空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的放電性能，達(dá)到是130.5 mW cm?2的大功率密度。這項(xiàng)工作為合成三維雙連續(xù)納米多孔摻氮碳材料提供了一條新的途徑，可用于各種電化學(xué)器件中潛在的催化劑。（文：SSC）
圖1|制備和形態(tài)表征。
展開 天津大學(xué)封偉團(tuán)隊(duì)《先進(jìn)功能材料》長(zhǎng)壽命室溫磷光氟氮雙摻雜碳量子點(diǎn)方面取得重要進(jìn)展
發(fā)光隱形材料，特別是室溫磷光材料，具有長(zhǎng)發(fā)光壽命和獨(dú)特的單線態(tài)-三線態(tài)躍遷等優(yōu)異特征，且其磷光發(fā)射可以消除短壽命的熒光和光散射背景，能起到非常顯著的加密效果，是光子加密信息的重要載體。其在信息安全領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因而引起了科學(xué)家的極大研究興趣。
室溫磷光碳量子點(diǎn)具有高光穩(wěn)定性、低毒性、生物相容性好、低能耗的制備過程等優(yōu)勢(shì)，使其在高信息安全領(lǐng)域具有非常潛在的應(yīng)用價(jià)值。特別是自保護(hù)的室溫磷光碳量子點(diǎn)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1、無需考慮基質(zhì)輔助的氧隔離層就可以實(shí)現(xiàn)室溫下高效磷光發(fā)射；2、外界刺激可以直接作用于裸露的碳量子點(diǎn)，有利于設(shè)計(jì)具有外界刺激響應(yīng)性的磷光傳感器；3、可以通過噴墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖案設(shè)計(jì)；4、磷光性能可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間維度和空間維度的高安全信息保護(hù)。但是目前報(bào)道的絕大多數(shù)基于碳量子點(diǎn)的室溫磷光材料中，需將碳量子點(diǎn)嵌入到基質(zhì)中才能獲得室溫磷光發(fā)射現(xiàn)象。如何實(shí)現(xiàn)碳量子點(diǎn)的自保護(hù)磷光性能仍然存在巨大挑戰(zhàn)。
近日，天津大學(xué)材料學(xué)院封偉團(tuán)隊(duì)采用一步水熱法制備了具有自保護(hù)超長(zhǎng)室溫磷光性能的氟氮雙摻雜碳量子點(diǎn)（FNCDs）。在雙溶劑體系（N’N-二甲基甲酰胺/乙腈）的水熱法過程中，碳源在高溫下被碳化和成核的同時(shí)，氮元素和氟元素同步摻雜進(jìn)入FNCDs中。當(dāng)雙溶劑體系中的溶劑體積比為1:1時(shí)，氟含量和氮含量分別達(dá)到了7.29At%和14.13At%。且FNCDs中含有大量的氨基和半離子型C-F鍵，因而具有很好的水溶性。FNCDs中大量的共軛C-N/C=N結(jié)構(gòu)具有減低的單線態(tài)-三線態(tài)能帶隙，促進(jìn)第一單線態(tài)（S1）到第一三線態(tài)（T1）的系間轉(zhuǎn)移。無需任何氧氣隔離處理，F(xiàn)NCDs只需涂在濾紙上即可產(chǎn)生自保護(hù)室溫磷光性能，其中磷光壽命高達(dá)1.21s。FNCDs表現(xiàn)出優(yōu)異的熒光pH穩(wěn)定性和自保護(hù)室溫磷光pH響應(yīng)性。
展開 
氮氧共摻雜碳納米片陣列
上海交通大學(xué)和加拿大阿爾伯塔大學(xué)的科研人員通過聚合物界面自組裝和熱解工藝在銅箔上構(gòu)建了氮氧共摻雜垂直碳納米片陣列(NOCA@Cu)，作為提高庫(kù)侖效率和抑制鋰枝晶生長(zhǎng)的有效載體。得益于大量的垂直多孔通道和豐富的親鋰雜原子摻雜，三維結(jié)構(gòu)NOCA@Cu在碳酸鹽電解液和乙 醚電解液中，能以可控的方式引導(dǎo)鋰的成核和生長(zhǎng)，從而無鋰枝晶沉積，材料具有高庫(kù)倫效率和長(zhǎng)循環(huán)壽命。有限元模擬進(jìn)一步揭示了垂直碳陣列的結(jié)構(gòu)功能，它不僅指導(dǎo)了有限空間的納米陣列中的鋰離子沉積，而且使整個(gè)三維電極中離子濃度和電場(chǎng)均勻分布。相關(guān)論文以題目為“N,O-Codoped Carbon Nanosheet Array Enabling Stable Lithium Metal Anode”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。
原文鏈接：
https://doi-org.fjny.80599.net/10.1002/adfm.202102354
在本文中，作者通過聚合物界面自組裝和碳化在商用銅箔集流體上大面積涂覆聚合物衍生的氮氧共摻雜垂直排列的碳納米片陣列，其有效三維結(jié)構(gòu)能得到安全和無鋰枝晶的鋰金屬電池。研究發(fā)現(xiàn)，銅表面聚合物層的不同取向模式（垂直或水平）對(duì)雜原子摻雜和衍生碳的拓?fù)淙毕萦泻艽蟮挠绊憽＠脽o粘結(jié)劑的自支撐分級(jí)電極、垂直多孔通道和親鋰氮/氧摻雜劑，制備的NOCA@Cu電極中的碳納米管陣列在有限的空間內(nèi)能有效承載金屬鋰，在腐蝕性碳酸鹽電解液中，庫(kù)倫效率高達(dá)91-93%，壽命長(zhǎng)達(dá)600次循環(huán)；在乙 醚電解液中，庫(kù)倫效率高達(dá)98.5%，穩(wěn)定循環(huán)達(dá)1300小時(shí)，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，遠(yuǎn)優(yōu)于水平碳膜鍍銅和原始銅集流體。
展開 金屬-有機(jī)框架衍生的多孔氮/鹵素雙摻雜納米碳高效氧還原催化劑
低成本、高效穩(wěn)定的非金屬材料作為氧還原反應(yīng)(ORR)的電催化劑對(duì)于燃料電池的規(guī)模化應(yīng)用至關(guān)重要。雜原子摻雜的多孔碳材料具有可調(diào)的化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)， 能顯著提升氧還原催化活性。
基于此，中國(guó)科學(xué)院福建物構(gòu)所黃遠(yuǎn)標(biāo)、曹榮課題組采用咪唑鎓鹽功能化的金屬-有機(jī)框架(MOFs)作為前驅(qū)體和自犧牲模板， 制備了氮和鹵素雙摻雜多孔納米碳催化劑。文章近期發(fā)表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9364-5。
圖1 BrNC-800的合成路線
其中氮/溴雙摻雜催化劑BrNC-800在堿性條件下具有優(yōu)異的電催化性能、穩(wěn)定性和抗甲醇毒化能力。其優(yōu)異的電催化活性歸因于：(1) 大量吡啶氮和石墨氮的摻雜產(chǎn)生豐富的碳活性位點(diǎn)， 同時(shí)高的石墨化程度有助于提高導(dǎo)電性，促進(jìn)氧還原活性；(2) 溴的存在改變了催化劑的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)特征，并活化相鄰碳產(chǎn)生額外活性位點(diǎn)；(3) 高比表面和多級(jí)孔結(jié)構(gòu)有助于傳質(zhì)與增加暴露的氧還原活性位的數(shù)量， 而提高催化效率。
這項(xiàng)工作為以MOFs為前驅(qū)體制備高效的雜原子雙摻雜碳材料提供了一種簡(jiǎn)便的方法。
展開 寧波大學(xué)《AFM》：氮硫共摻雜協(xié)同效應(yīng)，助力超長(zhǎng)壽命電極材料！
最近，鈮化氧化物因其高理論容量和相對(duì)小的體積變化而作為有前途的陽極材料受到廣泛關(guān)注。然而，大多數(shù)鈮基氧化物顯示出有限的離子和電子導(dǎo)電性，這不利于鋰離子在LiB中的放電/充電過程中插入/取出。為了提高電化學(xué)性能，需要合理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)雜化納米結(jié)構(gòu)，以同時(shí)提高離子和電子的電導(dǎo)率。由于協(xié)同效應(yīng)，多雜原子共摻雜碳涂層可以顯著提高電極材料的電導(dǎo)率和傳質(zhì)速率。
來自寧波大學(xué)等單位的研究人員采用一種簡(jiǎn)便的硫脲蒸發(fā)法在氧化鈮(GNO@NSC)表面引入氮、硫共摻雜碳涂層。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了GNO@NSC復(fù)合材料中n，s共摻雜的協(xié)同效應(yīng)。氮、硫共摻雜不僅擴(kuò)大了碳材料的層間距，而且導(dǎo)致更多的鋰存儲(chǔ)活化位點(diǎn)。同時(shí)，在GNO上引入共摻雜碳層顯著增強(qiáng)了與GNO的鍵合相互作用，這導(dǎo)致復(fù)合材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。因此，GNO@NSC復(fù)合材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可逆性、大的比容量和高性能。GNO@NSC納米線提供288毫安時(shí)每克的可逆容量，并顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1A/g的高電流密度下，6000次循環(huán)后，其容量保持率為78.9%。本研究揭示了氮、硫共摻雜碳涂層的作用機(jī)理和鈮氧化物性能改善的根源，可為相關(guān)材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202100311
總的來說，本文采用方便的碳化方法，制備了含缺陷氮、硫共摻雜碳涂層的GeNb18O47納米線。氮硫共摻雜使GNO與碳涂層之間的結(jié)合作用更強(qiáng)、層間距更大、活化位點(diǎn)更豐富，以及碳涂層的邊緣負(fù)吸附能更高。由于上述協(xié)同效應(yīng)，具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的GNO@NSC表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能、長(zhǎng)循環(huán)性能和大鋰離子擴(kuò)散系數(shù)。
展開 3篇頂刊！新型混合電容器獲系列進(jìn)展
鈉鉀資源豐富、分布廣泛、價(jià)格低廉，與鋰的物理化學(xué)特性相似，使得鈉鉀離子儲(chǔ)能器件有望成為鋰基儲(chǔ)能體系的潛在替代品，近年來其關(guān)鍵材料及相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速。
中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室研究員閻興斌團(tuán)隊(duì)一直致力于新型碳材料與儲(chǔ)能器件研究，發(fā)展了一系列雙碳高性能新型金屬離子混合電容器。
研究人員利用熱固相燒結(jié)一步制備了三維網(wǎng)絡(luò)碳材料，獲得了網(wǎng)絡(luò)碳材料關(guān)鍵制備技術(shù)；并進(jìn)一步采用化學(xué)活化技術(shù)制備了具有優(yōu)異電容特性的多孔三維網(wǎng)絡(luò)碳材料（正極材料）。利用雙碳體系電極材料電化學(xué)特性穩(wěn)定、導(dǎo)電性優(yōu)異且與電解液匹配性好等特點(diǎn)，通過優(yōu)化正負(fù)極活性材料質(zhì)量和動(dòng)力學(xué)匹配特性，最終構(gòu)筑了兼具高能量密度和功率密度且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異的雙碳鈉離子混合電容器（如圖1示），相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702409。
圖1 雙碳鈉離子混合電容器
近期，研究人員利用碳酸鈉為模板，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)合成了碳納米片負(fù)極材料，此碳納米片具有導(dǎo)電性好、缺陷豐富、層間距大、富氧等特點(diǎn)，有利于離子的存儲(chǔ)與傳輸。該碳納米片作為負(fù)極材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的鉀離子存儲(chǔ)特性，為構(gòu)筑高性能鉀離子混合電容器奠定了基礎(chǔ)。因此，研究人員利用碳納米片負(fù)極材料與高容量氮摻雜三維碳正極材料構(gòu)建了鉀離子混合電容器（如圖2示）。通過材料設(shè)計(jì)及器件優(yōu)化，該混合電容器性能優(yōu)異，具有高能量密度（149 Wh kg-1）和高功率密度（21 kW kg-1），以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性（5000圈循環(huán)80%的保持率)。相關(guān)結(jié)果在線發(fā)表在Adv. Energy Mater. 2019, 1803894。
展開 復(fù)旦大學(xué)熊煥明、王永剛：構(gòu)建“富電子區(qū)域”，碳負(fù)極材料設(shè)計(jì)的新思路
以多孔碳材料為負(fù)極，電池型電極材料為正極組成的混合型電容器件，往往具有較高的功率密度和穩(wěn)定的循環(huán)性能。然而與傳統(tǒng)的電池體系相比，較低的能量密度一直是其不可忽視的“短板”。究其原因在于正負(fù)極的容量存在巨大的差距，使得電容型碳材料的用量過多從而導(dǎo)致混合電容器體系的整體能量密度降低。為了解決此問題，增大碳材料的比表面積，擴(kuò)大孔體積以及引入贗電容等都是常用方法，但是這些方式又可能會(huì)帶來循環(huán)壽命下降等“副作用”。而考慮到作為負(fù)極的碳材料在混合電容器中所發(fā)生的反應(yīng)過程就不難發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)其吸引陽離子的能力就會(huì)有效改善其性能而不帶來任何負(fù)面效應(yīng)。而者其中的關(guān)鍵就在于在碳材料表面構(gòu)建足夠多的“富電子區(qū)域”。最近，復(fù)旦大學(xué)的熊煥明教授與王永剛教授課題組以碳點(diǎn)-水凝膠為前驅(qū)體，利用再溶脹-煅燒的方法成功制備了表面態(tài)“可控”的多孔碳材料。當(dāng)其用于混合電容器負(fù)極材料時(shí)，各方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。最后，作者也通過表征以及DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，碳點(diǎn)可以高效率提供某些氮磷官能團(tuán)，而這些官能團(tuán)正是引起周圍原子變?yōu)椤案浑娮訁^(qū)域”的關(guān)鍵。因而，碳點(diǎn)類材料將會(huì)是電極材料表面態(tài)控制的“利器”。
圖1. 碳點(diǎn)-水凝膠共筑高性能多孔碳材料示意圖
以聚乙烯亞胺和植酸為前驅(qū)體，經(jīng)過160℃的水熱反應(yīng)即可制備氮磷氧共摻雜的碳點(diǎn)。利用凝膠再溶脹的方法使得多孔水凝膠與碳點(diǎn)很好地融為一體。在惰性氣氛下，通過一次煅燒即形成表面含有特定官能團(tuán)的碳材料。BET測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)并不影響以水凝膠為前驅(qū)體的多孔碳的結(jié)構(gòu)，但其表面官能團(tuán)卻隨著碳點(diǎn)的引入發(fā)生了明顯的變化。這說明量子尺寸的碳點(diǎn)作為客體部分不會(huì)改變水凝膠主體部分原有的多孔結(jié)構(gòu)但其可以作為特定官能團(tuán)（例如吡咯氮，磷酸基團(tuán)）的有效載體。而進(jìn)一步的DFT計(jì)算表面，這些特定官能團(tuán)將會(huì)成為構(gòu)建“富電子區(qū)域”的主力軍。
圖2.
展開 揚(yáng)州大學(xué)侯建華&北理工曹傳寶：燈籠狀碘氧鉍基材料展現(xiàn)高效可見光催化性能
科學(xué)研究者關(guān)注的焦點(diǎn)是半導(dǎo)體材料的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控進(jìn)而影響材料的氧化能力和物理化學(xué)性能，尤其是利用可見光誘導(dǎo)的高效光催化劑（如碘氧化鉍）來進(jìn)行環(huán)境凈化。
【成果簡(jiǎn)介】
近期，揚(yáng)州大學(xué)侯建華博士與北京理工大學(xué)曹傳寶教授（共同通訊作者）報(bào)道了嵌入香蒲草碳的燈籠狀碘氧化鉍材料具有優(yōu)越的可見光催化性能。在Dalton Transactions上全文發(fā)表題為“Lantern-like bismuth oxyiodide embedded typha-based carbon via in situ self-template and ion exchange-recrystallization for high-performance photocatalysis”，并入選內(nèi)封面論文。研究人員首先在氨氣氣氛中直接碳化生物質(zhì)廢棄物（枯萎的香蒲草）獲得氮摻雜的竹管狀碳材料（NTC）。室溫?cái)嚢韬铣傻腂iOI/NTC作為自我犧牲模板，加入NH3?H2O，利用原位離子交換-再結(jié)晶機(jī)制合成出具有微/納分級(jí)結(jié)構(gòu)的Bi7O9I3/NTC。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在2 h內(nèi)，Bi7O9I3/NTC能夠在可見光下降解93.5%的甲基橙和97.6%的羅丹明B，這展現(xiàn)出比純BiOI更優(yōu)越的可見光催化性能。
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