成果简介
本文，宁波大学孙巍 副教授、中国科学院宁波材料所王雪飞 研究员等在《ChemistrySelect》期刊发表铭文“Porous Carbons Prepared from Polyacrylonitrile Doped with Graphitic Carbon Nitride or Melamine for Supercapacitor Applications”的论文，研究在聚丙烯腈（PAN）薄膜中掺入了三聚氰胺和由三聚氰胺热缩合得到的氮化石墨碳（g-C3N4）。然后通过热解复合薄膜制备氮掺杂多孔碳。虽然所有多孔碳的氮含量都很高，至少达到10%，但g-C3N4的掺氮效率比三聚氰胺高。氮含量随着每种掺杂剂用量的增加而提高，g-3（从质量比为 3 的 PAN/g-C3N4 复合薄膜中获得的多孔碳）的氮含量最高，达到19.0%。
在氮官能团中，吡啶-N 和吡咯-N 所占比例至少为80%。与掺杂三聚氰胺的PAN薄膜获得的碳材料相比，掺杂g-C3N4的PAN薄膜获得的碳材料具有更大的表面积和平均孔径，以及更高的孔体积。这种差异主要源于掺杂剂的热稳定性和尺寸。因此，掺杂g-C3N4的材料具有更优异的电化学性能。在电流密度为0.5A/g时，g-3电极的比电容为135.3F/g。g-C3N4 比三聚氰胺更能改善碳材料的化学成分和纹理特性，从而提高其超级电容器性能。
图文导读
图1、掺氮碳的制备示意图。
图2、(a) g-C3N4 的傅立叶变换红外光谱和 (b) XRD。g-C3N4 (c)、g-C3N4 和 PAN 复合薄膜 (d) 以及 g-3 碳薄膜 (e) 的照片。
图3、(a）g-3 的 TEM 图像和（b、c、d）根据（e）TEM 图像绘制的（b）碳、（c）氮和（d）氧的能量色散 X 射线（EDX）图。
图4、XPS spectra for N1s core-level peaks for (a) g-3, (b) g-4, (c) g-5, (d) m-3, (e) m-4, and (f) m-5.
图5、采用三电极构型在6 M KOH电解质中对g-X和m-X碳材料的电化学性能
小结
使用 g-C3N4 或三聚氰胺作为氮掺杂剂，通过热解复合薄膜前驱体制备了氮掺杂多孔碳。所有多孔碳的氮含量都很高，至少达到 10%，其中吡啶-N 和吡咯-N 的氮含量至少达到 80%。随着每种掺杂剂用量的增加，氮含量也随之增加，g-3的氮含量最高，达到 19.0%。与掺杂三聚氰胺的 PAN 薄膜（m-X）相比，掺杂 g-C3N4 的 PAN 薄膜（g-X）的碳材料具有更大的比表面积和平均孔径，以及更高的孔体积，其中g-3的SBET最高，达到71.4m2/g，而m-X样品的SBET值较低，仅为 42.3~55.0 m2/g。
此外，m-X的平均孔径在 5.6至6.9nm 之间，小于g-X（11.2 至 18.8 nm）。这种差异主要源于掺杂剂的热稳定性和尺寸。在电流密度为 0.5 A/g 时，g-3电极的比电容为135.3F/g，远高于m-3 的57.0F/g。这些材料在高电流密度下具有良好的循环稳定性，在 5A/g充放电循环5000次后，仍能保持 96.6% 的初始电容。与三聚氰胺相比，g-C3N4可以改善碳材料的化学成分，从而提高超级电容器的性能。
文献：https://doi.org/10.1002/slct.202301801
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