导读

       中山大学刘绍鸿教授等以交联自组装层状嵌段共聚物为前驱体，通过低温掺杂-高温脱除杂原子策略制备了一类拓扑缺陷层状多孔炭（TDLPC），并研究了TDLPC的层状形貌、缺陷结构、闭孔结构和开放孔结构。结果表明：杂原子脱除可以引发周边碳原子重排，在TDLPC骨架中引入大量拓扑缺陷以及闭孔结构；原位形成的氧化硅模板在刻蚀后赋予TDLPC适量的开放微/介孔。因此，TDLPC作为钠离子电池负极材料兼具高斜坡容量（130 mA·h/g）和高平台容量（83 mA·h/g），并且表现出优异的倍率性能（5 A/g下比容量为162 mA·h/g）以及长循环稳定性（1 A/g下循环500圈容量保持率高达94%）。敬请关注。

梁 敏, 黄俊龙, 符若文, 刘绍鸿

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引用本文：

梁    敏, 黄俊龙, 符若文, 刘绍鸿. 用于快速高容量储钠的拓扑缺陷层状多孔炭[J]. 功能高分子学报，2024，37（6）：463-472.LIANG Min, HUANG Junlong, FU Ruowen, LIU Shaohong. Topologically Defective Lamellar Porous Carbon for Fast and High-Capacity Sodium-Ion Storage[J]. Journal of Functional Polymers，2024，37（6）：463-472.

在众多炭材料中，多孔炭纳米片兼具多孔炭材料和二维材料的优点，其导电性高、纵横比超大、孔结构丰富，能够充分暴露炭骨架的反应位点，并促进电子和离子的快速传输，是具有巨大前景的钠离子电池负极材料。然而，常规多孔炭纳米片通常缺乏骨架结构（如类石墨微晶结构和孔结构）调控，导致其电化学活性受限，储钠反应动力学缓慢。炭材料的结构决定其储钠机理，从而影响其储钠性能。多孔炭材料的储钠过程可以分为缺陷位点的吸附以及闭孔的填充，两者在充放电曲线中分别体现为高电位斜坡容量（>0.10 V）和低电位平台容量（<0.10 V）。一般而言，多孔炭材料的可逆比容量主要来自低电位平台容量，但平台区的储钠过程受扩散控制，在高电流密度下动力学缓慢，因而倍率性能较差。此外，低电位可能会引起金属钠的析出，导致安全问题。为了解决上述问题，一些研究工作开始关注以斜坡容量为主的多孔炭负极，其储钠动力学更快、倍率性能更优异，并且相对较高的平均电位能够避免循环过程中金属钠的析出。在多孔炭材料中引入孔隙结构、杂原子（如 N、S、O、P等）或拓扑缺陷等，能够诱导钠离子的赝电容吸附，促进钠离子的快速传输，是增加多孔炭材料斜坡容量的有效策略。然而，高斜坡容量往往会导致大量的不可逆容量损失。因此，合理调控多孔炭材料的微观形貌、孔隙结构和缺陷结构，对协同实现高斜坡容量和高平台容量储钠具有至关重要的作用。 

        针对上述问题，中山大学刘绍鸿教授等以交联层状嵌段共聚物为前驱体，通过梯度温度热处理，在炭骨架中先掺杂后脱除氮原子，制备了拓扑缺陷层状多孔炭（TDLPC），并探究其微观形貌、孔隙结构与缺陷结构，考察其作为钠离子电池负极的电化学性能，揭示其骨架结构与储能特性之间的关系。刻蚀氧化硅产生一定的开放微/介孔，能够增加电解液的接触面积，促进离子的快速传输。通过先掺杂后脱除氮原子，向炭骨架中引入丰富的拓扑缺陷和闭孔结构，促进了钠离子的吸附，提高了斜坡容量，同时有利于钠离子的填充，提高平台容量。TDLPC作为钠离子电池负极材料表现出高斜坡容量（130 mA·h/g）和高平台容量（83 mA·h/g）、优异的倍率性能（5 A/g下比容量为162 mA·h/g）和长循环寿命（1 A/g下循环500圈比容量190 mA·h/g，容量保持率高达94%）。

通信作者简介

刘绍鸿，中山大学教授，博导，国家级青年人才，主要从事能源高分子与炭材料的设计制备及其应用研究（包括固态电解质、碳负极材料等）。担任中山大学高分子材料科学研究所副所长，中国电工技术学会碳-石墨材料专业委员会委员，以及《功能高分子学报》、《Energy Materials and Devices》等期刊青年编委，在Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.和Adv. Mater.等期刊发表SCI论文70余篇，授权专利11件。