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EMD | 中山大学刘绍鸿/清华大学柳明/日本东北大学黄俊龙研究论文：热激活石墨化碳纳米片实现高效电催化

已有 137 次阅读 2026-7-15 15:45 |个人分类:能源材料与器件|系统分类:论文交流

1 导读

本文报道了一种通过热驱动氮原子脱除策略，实现了低活性石墨化碳纳米片的高效激活，生成大量碳缺陷，显著提升比表面积并保留长程有序结构。碳基电催化剂在可再生能源转换系统中具有重要应用前景。得益于激活后的碳纳米片兼具孔隙率高、本征活性位点丰富以及高度石墨化骨架导电性高、耐腐蚀性强的优势，在电催化反应中表现出优异性能，在锌空电池中实现超过700次循环的优异稳定性。

2 背景介绍

随着能源需求快速增长和环境问题日益突出，开发可再生能源转换技术成为实现碳中和的重要途径。电化学能源转换技术（如氢燃料电池、金属空气电池和水分解）因其高效环保而备受关注。然而，这些器件的性能受限于氧还原反应、氧析出反应等多电子界面反应的缓慢动力学。电催化剂是降低反应能垒、提升能量转换效率的关键。碳基电催化剂具有低成本、高导电性、稳定的物化性质及结构可调性的优点。理想的碳基电催化剂应具备以下特征：富集的本征活性位点、高度石墨化结构以加速电子传输、以及多孔骨架以增强传质。然而，传统石墨化碳材料活性位点不足、孔隙结构不发达，限制了其催化性能。本文提出一种通过热驱动氮原子脱除策略，在保持长程有序石墨结构的同时，引入高密度碳缺陷和微/介孔结构，从而显著提升电催化性能。

3 图文介绍

设计通过热激活氮掺杂前驱体形成富缺陷多孔石墨化碳纳米片(DPGCNSs)。扫描电镜、高分辨透射电镜和X射线衍射结果显示材料的二维片状形貌以及长程有序的石墨晶格结构，球差校正高分辨电镜揭示了碳骨架中的本征缺陷；拉曼光谱和电子顺磁共振谱证实丰富缺陷的形成，氮气吸附-脱附测试表明材料明显的微孔和介孔特征，原位热重-红外联用分析揭示了氮脱除过程缺陷的形成机制；通过电化学测试评估了不同热激活温度对材料性能的影响，1075℃得到的DPGCNSs表现出优异的ORR/OER性能，与Pt/C+RuO₂相当。其组装的锌空电池峰值功率密度更高，在2 mA cm⁻²电流密度下进行可循环充放电700次循环后未见明显电压衰减，表现出优异的循环稳定性。

图1展示富缺陷多孔石墨化碳纳米片的形貌和结构特征。（a）NGCNSs和（b）DPGCNSs的SEM图像；（c）NGCNSs和（d）DPGCNSs的TEM图像；（e）DPGCNSs和NGCNSs的XRD图谱；（f）DPGCNSs的AC HAADF-STEM图像；（g）放大图像呈现材料骨架的六元环石墨晶格结构和其中形成的本征缺陷。

图2揭示氮脱除过程形成本征碳缺陷的机制。（a）DPGCNSs和NGCNSs的拉曼光谱；（b）EPR光谱；（c）N₂吸附-脱附等温曲线；（d）孔径分布曲线；（e）NGCNSs热解形成DPGCNSs的原位红外-热重光谱；（f）从NGCNSs到DPGCNSs的热激活过程示意图。

图3评估不同热处理温度得到的材料的电催化性能。（a）ORR的LSV曲线；（b）ORR Tafel曲线；（c）OER的LSV曲线；（d）OER Tafel曲线；（e）不同催化剂的ΔE对比。

图4评估组装不同催化剂的锌空电池性能。（a）DPGCNSs锌空电池点亮LED面板的照片；（b）锌空电池的放电极化曲线及对应功率密度；（c）2 mA cm⁻²下的恒流放电曲线；（d）不同电流密度下的放电曲线；（e）2 mA cm⁻²下的长期循环测试。

4 总结与展望

本文通过热驱动氮原子脱除策略，成功制备了兼具高密度本征缺陷、高度石墨化结构和发达微/介孔结构的石墨化碳纳米片。研究表明，高温下氮原子的脱除引发了相邻碳原子的重排，形成了大量碳缺陷，并显著提升了比表面积，同时保留了长程有序石墨结构。得益于丰富的碳缺陷、高导电性的石墨骨架和二维多孔结构带来的快速传质能力，DPGCNSs在氧还原和氧析出反应中表现出优异的双功能催化活性，并在锌空电池中展现出卓越的循环稳定性。该研究为开发高性能石墨化碳基电催化剂提供了新的设计思路。

5 作者简介

刘绍鸿，教授，毕业于大连理工大学获得博士学位，现任中山大学化学学院教授，获国家青年人才支持计划。研究聚焦于先进聚合物和碳质材料的设计与开发，及在能量存储和转换领域的应用。以第一作者或通讯作者在Nat. Nanotech.、Nat. Common.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed及CCS Chem.等核心期刊发表SCI论文80余篇。

柳明，副教授，毕业于清华大学和香港科技大学，在代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker教授团队进行博士后研究工作，现任清华大学深圳国际研究生院副教授，承担国家自然科学基金青年科学基金b类。研究聚焦于通过核磁和中子等先进表征技术指导电池电解质和电极材料的研发制备与机理研究。以第一作者或通讯作者在Nat. Nanotech.、Nat. Common.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.及Energy Environ. Sci.等核心期刊发表SCI论文60余篇。

黄俊龙，助理教授，毕业于中山大学，现任日本东北大学材料科学高等研究所（AIMR）助理教授。其研究聚焦于新型高分子与碳基功能材料的结构设计、可控制备及在二次电池等储能体系中的应用机制。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Chem. Mater.及Sci. China Mater.等核心期刊发表SCI论文13篇，并与国内外高校及研究机构保持紧密合作。

期刊简介

Energy Materials and Devices是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，清华大学康飞宇教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。

期刊于2023年9月创刊，现已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ、Inspec等数据库收录，入选2024中国科技期刊“卓越行动计划”二期高起点新刊项目。