天津工业大学–PVP辅助合成具有可调晶面间距的g-C3N4衍生的N掺杂石墨烯作为高性能锂/钠离子电池负极

碳材料引起了广泛的关注，并被广泛用作可充电锂离子/钠离子/钾离子电池的负极。关于碱金属离子的各种半径，碳层间的可逆嵌入和脱嵌需要不同的晶面间距。在这项工作中，在聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 的辅助下，使用石墨氮化碳 (g-C3N4) 作为前驱体合成了具有可调晶面间距的N掺杂石墨烯。获得的可调晶面间距在0.34 nm至0.45 nm范围内，主要归因于高氮掺杂水平（9.9-33.7 at.%），尤其是吡咯氮。作为锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）的负极材料，在0.05 A/g的电流密度下，LIBs的比容量为1236 mAh/g，SIBs的比容量为300 mAh/g，循环稳定性好，证明了所得N掺杂石墨烯具有可接受的倍率能力。比较研究了晶面间距对LIBs和SIBs电化学性能的影响。这项工作概述了合成具有可调晶面间距的N掺杂石墨烯的路线，以满足在可充电Li⁺/Na⁺/K⁺离子电池中作为负极单元化的各种要求。

Figure 1. g-C3N4 前驱体和不同温度下g-C3N4-衍生的N掺杂石墨烯的 (a) XRD图谱、(b) FTIR 光谱和 (c) 拉曼光谱。(d) g-C3N4、PVP和g-C3N4/PVP的TG曲线；(e) 在PVP的辅助下，N掺杂石墨烯转化的示意图。

Figure 2. (a) 电导率分析；(b) N₂吸附-解吸等温线；(c) 孔隙尺寸分布曲线；(d) XPS 全谱；(e) 高分辨率 C 1s；(f) g-C3N4前驱体和不同温度下g-C3N4-衍生的N掺杂石墨烯的高分辨率N 1s光谱。

Figure 3. (a-c) SEM图像；(d-f) TEM图像；(g-i) HRTEM图像；(j-l) 合成的NG-700、NG-750和NG-800样品的晶面间距示意图。

Figure 4. 合成的N掺杂石墨烯的电化学锂存储性能。

Figure 5. 合成的N掺杂石墨烯的电化学Na⁺存储性能。

Figure 6. (a) LIBs和 (b) SIBs中N掺杂石墨烯的GITT曲线；(c) Li⁺离子和 (d) Na⁺离子化学扩散系数。

Figure 7. LIBs：(a) 在不同扫速下的CV曲线；(b) log(i) vs log(v) 图；(c)中，NG-750电极在不同扫速下的电容和扩散控制电荷存储的贡献率。SIBs：(d) 在不同扫速下的CV曲线；(e) log(i) vs log(v) 图；(f) NG-700 电极在不同扫速下的电容和扩散控制电荷存储的贡献率。

相关研究成果于2021年由天津工业大学Jingjing Chen课题组，发表在Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.010）上。原文：PVP-assisted synthesis of g-C₃N₄-derived N-doped graphene with tunable interplanar spacing as high-performance lithium/sodium ions battery anodes。