郭林北京航空航天大学郭林Nano Energy：几丁质衍生的N掺杂非晶碳纳米纤维用于高性能钠离子全电池

[引言]
钠离子电池(SIB)因其丰富的钠资源储备和合适的理化性能，有望取代锂离子电池，成为大规模储能领域的新型电池系统。在SIB的研究范围内，碳基纳米材料因其环境友好、热力学稳定性高、储量高、成本低的优点，被认为是二次电池负极材料的合适选择。但从外部引入轻杂原子(如B、N、S)，设计具有独特纳米形貌的碳材料，一般需要较多的工艺步骤，相对复杂，不利于成本控制和大规模生产。因此，迫切需要找到一种简单、经济的方法来制备先进的碳基电极材料。甲壳质(几丁质，英文名:几丁质)作为一种生物废弃物，是许多活体动物骨骼和外壳中的主要成分。是自然界中仅次于纤维的第二大天然高分子，具有无毒、可再生等明显优势。值得注意的是，酰胺基存在于天然纳米纤维结构和分子结构中，这使得直接热解获得高氮含量掺杂的一维纳米结构碳材料成为可能。从这个角度来看，甲壳素作为合成纳米结构碳基阳极材料的前驱体，显示出巨大的应用潜力。
北航郭林教授(通讯作者)和王华副教授以甲壳素为前驱体，通过热解和一步法成功制备了天然掺氮非晶碳纳米纤维(NACF)，并直接应用于钠离子电池，无需额外活化。由于大晶格间距(3.87)、氮原子掺杂(7.29 at%)和一维纤维纳米结构的协同作用，作为负极，电极材料表现出320.6 mah·g-1的高可逆比容量、高能量密度(192 wh·kg-1)、优异的倍率性能和超长的使用寿命(8000次循环以上)，库仑效率接近100。此外，将NACF电极与普鲁士蓝阳极耦合构建了一种廉价的钠离子电池，经过200次循环后，比容量达到115 mah·g-1，容量保持在90%以上，证明了该材料的潜在应用前景。相关成果发表在《纳米能源》(Nano Energy)上，题目为“高性能全钠离子电池用甲壳素直接转化为n掺杂泡沫碳纳米纤维”，本文第一作者为博士生郝睿。
图1掺氮无定形碳纳米纤维的合成(NACF)
示意图

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生物废弃物甲壳素合成氮掺杂非晶碳纳米纤维(NACF)示意图。
图2纯甲壳素和NACF的物理性能表征

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A)AFM高度图像；
B)AFM相位图像；
C)C)NACF的SEM图像；
NACF的透射电镜图像；
e)高分辨率TEM图像；插图:SAED图案；
不同炭化温度下合成的连铸样品的XRD图谱。
图3不同温度下碳化合成的CC样品表征

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a)不同CC样品的氮吸附-解吸等温线；
b)不同CC样品的BJH孔径分布；
c)不同CC样品的拉曼光谱；
【郭林北京航空航天大学郭林Nano Energy：几丁质衍生的N掺杂非晶碳纳米纤维用于高性能钠离子全电池】D)D)cc 700 XPS光谱的测量；
E)E)cc 700 XPS光谱窄C 1s峰；
f)cc 700 XPS光谱的窄O 1s峰。
图4 cc样品的电化学性能表征

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a)在0.01至2.5 V(相对于Na+/Na)的电压窗口和50ma·g-1的电流密度下CC样品的第二循环电势分布；
b)以50 mg-1的电流密度，比较50次循环后不同CC电极的容量；
C)C)CC电极阻抗图。插图:等效电子电路。R1是电连接的电阻之和，R3是电荷转移电阻，W1代表碳基材料中钠扩散的沃尔夫冈电阻；
D)D)cc 700电极的CV和QOCP数据；