锂硫电池正极材料：三维氮掺杂碳纳米管/石墨烯杂化结构

一维纳米碳材料（如碳纳米管）和二维纳米碳材料（如石墨烯），由于其具有优异的物理特性（电学、力学、光学等）和极高的化学稳定性，近几十年来，他们一直被广泛应用于各个领域的研究(如能源、催化、生物，制药等)。研究证明，通过表面修饰或者异质原子掺杂可以进一步提高这些低维碳材料的电导率和表面性质。然后，这些低维碳材料通常具有较高的比表面能和较强的相互作用，易于团聚或者堆叠，导致其比表面积的降低和活性点的减少，从而限制了其应用。因此，发展一种基于多维度的纳米杂化碳材料的新概念和新的制备方法将会是改善其性能和拓展其工业应用的关键。

为此，中国科学技术大学余彦教授课题组与德国马普固体所合作,首次提出了一种简单的固相法制备了氮掺杂碳纳米管石墨烯三维杂化结构。该课题组通过使用相对低廉和环境友好的泡沫镍作为生长基底和催化剂，利用葡萄糖和二氰胺分别为碳源和氮源，一步法合成了碳纳米管和石墨烯的三维杂化生长和氮掺杂，实现了碳纳米管与石墨烯实现了原子尺度的链接。这种独特的结构不仅为电子传输和离子扩散提供了三维联通的网络，而且氮原子在碳骨架的改性能够显著改变表面电子分布，进一步提高电子电导率。除此之外，由于氮原子的引入也会促进碳材料的表面吸附性能和电化学活性，这一特征将显著促进多硫化锂的吸附。当该结构用作锂硫电池正极材料时，表现出了优异的电化学性能。在0.2 C和1 C的电流倍率下，基于该杂化结构的锂硫电池表现出了1314 mAh g^-1和922 mAh g^-1的比容量。在2 C的倍率下，200次循环后仍能保持97%的容量保持率。该工作不仅展示了一个简单绿色的途径来制备氮掺杂的碳纳米管石墨烯三维杂化结构，而且论证了它们在锂硫电池领域的应用。同时，也显示出了组合不同低维结构形成三维多级结构的优势及其作为先进功能材料的应用潜力。该工作发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201504294）上，并被选为Back cover。